[发明专利]一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法

说明书

本发明公开了一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法。该方法包括以下步骤：(1)将高纯铍粉和高纯钛粉作为原材料；(2)将原材料装入球磨机中进行混合；(3)将铍钛混合粉末进行冷等静压预压制，制得棒状坯料；(4)将坯料进行热等静压烧结，制得棒料；(5)将棒料进行电火花线切割和精加工，获得铍钛合金电极棒；(6)将铍钛合金电极棒作为自耗旋转电极，装载于等离子旋转电极设备中造粒室的旋转轴上，抽至真空状态，充入惰性气体；将铍钛合金电极棒与钨电极近距离放电产生等离子电弧，铍钛合金电极端面熔化为液体，同时铍钛合金电极棒高速旋转，熔化的合金液滴在离心力作用下被甩出，在造粒室内冷却凝固，形成铍钛合金小球。

技术领域

本发明属于核工业中的中子倍增材料技术领域，具体涉及一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法。

背景技术

在核聚变堆中，以氚增殖剂小球和中子倍增剂小球交替堆积的球床设计的氚增殖包层模块是目前重点研究的包层形式之一。包层中大量的中子倍增小球有利于提高包层的氚增值率，并且便于氦、氚等气体产物扩散和释放。

金属铍具有较大的(n, 2n)反应截面、所有金属中最小的热中子吸收截面以及较高的中子倍增因子等中子学方面的出色性能，是聚变堆包层研究初期固态中子倍增剂的主要候选材料之一。但铍的熔点较低(约1280℃)，高温下易与试验包层选用的不锈钢发生反应，并且高温下抗辐照肿胀性差，具有氦脆性，因而无法满足未来聚变反应堆更为苛刻的工作条件要求。

铍钛合金，尤其是Be₁₂Ti，相比于金属铍，具有较高熔点、良好的抗氧化和腐蚀能力、与结构材料良好的兼容性以及较高的氚释放性能和抗辐照肿胀性能，是未来聚变堆包层设计中重要的中子倍增剂候选材料。然而铍钛合金存在固有脆性的问题，如何制备出满足聚变堆包层设计要求的小球是铍钛合金中子倍增剂应用的关键问题。目前铍钛合金小球的制备主要采用气雾化法，该方法将熔融的铍钛合金通过气流喷出，在惰性气氛中冷却成型制得小球。其制备的铍钛合金小球存在球形度较差，畸形球比例高，小球粒径不易控制等问题。因此研究高品质铍钛合金小球的制备技术对实现其在核工业领域应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法。该方法工艺参数简单可控、可实现大规模连续生产；通过该方法制得的铍钛合金小球粒径可控，合金小球的球形度高、空心率低、杂质含量少，尤其适用于聚变反应堆试验包层中的中子倍增材料。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于等离子旋转电极制备铍钛合金小球的方法，包括以下步骤：

(1) 将高纯铍粉和高纯钛粉作为原材料，按照铍钛合金Be₁₂Ti的标准成分进行称量，即Be=69.2 wt%，Ti=30.8 wt%；

(2) 将步骤(1)所称量的原材料装入球磨机中进行混合，得到混合均匀的铍钛粉末；

(3) 将步骤(2)制得铍钛混合粉末进行冷等静压预压制，制得相对密度为75-85 %的棒状坯料；

(4) 将步骤(3)得到的坯料进行热等静压烧结，制得相对密度为95-98 %的棒料；

(5) 将步骤(4)烧结制得的铍钛合金进行电火花线切割加工和精加工，获得直径为30-40 mm，长度为200-300 mm的铍钛合金电极棒；

(6) 将步骤(5)得到的铍钛合金电极棒作为自耗旋转电极，装载于等离子旋转电极设备中造粒室的旋转轴上，造粒室抽至真空状态，随后充入惰性保护气体；将铍钛旋转电极（即铍钛合金电极）与钨电极近距离放电产生等离子电弧，铍钛合金电极端面受等离子弧加热熔化为液体，同时铍钛合金电极棒高速旋转，熔化的合金液滴在离心力作用下被甩出，在充满高纯惰性气体的造粒室内冷却凝固，形成铍钛合金小球；