控制氮含量的U-Mo合金粉末制備工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于υ-Μο合金燃料元件的制造領域，具體涉及一種能夠有效控制氮含量 的U-Mo合金粉末制備工藝。
【背景技術】
[0002] U-Mo合金因具有鈾密度高、γ相較穩定、輻照性能優良和后處理簡單等優點，已 成為研究試驗堆下一代燃料的發展方向。制備出滿足技術要求的U-Mo合金粉末是制造 U-Mo彌散燃料元件的先決條件。
[0003] 氮元素是U-Mo合金粉末中的一種有害雜質元素，氮含量是U-Mo合金粉的重要性 能指標，其對U-Mo合金彌散燃料板的性能有很大影響。U-Mo合金粉作為燃料板芯體中的燃 料相，其氮含量過高會降低燃料芯體的抗水腐蝕性能，容易導致燃料板在苛刻工況下失效。 因此需要對U-Mo合金粉末的氮含量進行嚴格控制，技術要求規定U-Mo合金粉末中氮含量 需低于150 μ g/g。
[0004] 目前國際上制備U-Mo合金粉末主要有以下三種方式：機械研磨、氫化-破碎-脫 氫（HMD)、霧化法。HMD法是制備金屬粉末的常用方法，但是采用HMD法制備U-Mo合金粉末 的過程中，氮含量的控制是一個技術難題，一是因為U-Mo合金粉末化學性質活潑，在制備 過程中極易吸附氮或與氮發生化學反應；二是在采用HMD法制備U-Mo合金粉末的過程中， 需要進行兩次熱處理工序，而在高溫下會加劇U-Mo合金與氮的化學反應。而本申請發明人 查閱國內外文獻，均未見任何文獻公開報道過采用HMD法制備U-Mo合金粉末時對氮含量的 控制工藝。

【發明內容】

[0005] 本發明所要解決的技術問題是提供一種能夠有效控制氮含量的U-Mo合金粉末制 備工藝，使其滿足技術要求。
[0006] 本發明解決上述問題所采用的技術方案是： U-Mo合金粉末制備工藝，包括以下步驟： 1) 將U-Mo合金錠在保護氣體的保護下送至氫化-破碎-脫氫一體化裝置的氫化段內， 將所述氫化段內抽真空至真空度不低于3. 0 X 10 3Pa，充入保護氣體清洗后，充氫氣，在預定 的溫度及壓力條件下進行氫化處理； 2) 在所述氫化-破碎-脫氫一體化裝置的破碎段內預燒活性金屬粉以去除氮元素； 3) 將上述步驟1)中氫化后的產物U-Mo合金氫化物在保護氣體的保護下移至所述破碎 段內； 4) 對所述U-Mo合金氫化物進行破碎處理，破碎時間不超過10s ; 5) 將上述步驟4)中破碎處理后的U-Mo合金氫化物粉末在保護氣體的保護下移至所述 氫化-破碎-脫氫一體化裝置的脫氫段內，抽真空至真空度不低于3. 0X 10 3Pa，加熱進行 脫氫處理，則制備得到U-Mo合金粉末。
[0007] 其中，本發明中的步驟2)與步驟3)無先后順序的限定，可以先進行步驟2)再進 行步驟3)，也可以先進行步驟3)再進行步驟2)，均能達到本發明所要求的效果。
[0008] 本發明所述的U-Mo合金粉末制備工藝，通過對HMD法中的各個步驟進行嚴格的工 藝控制，來控制最終制得的U-Mo合金粉末中的氮含量低于150 μ g/g。第一，U-Mo合金進出 氫化段以及進入脫氫段時均是在保護氣體的保護下進行的，避免了在這些過程中引入空氣 中的氮；第二，在破碎段內預燒活性金屬粉，使滲入的微量氮與活性金屬粉先反應，去除氮 元素，從而降低了破碎過程中U-Mo合金氫化物與微量氮的反應程度；第三，控制氫化及脫 氫處理時的真空度不低于3. 0X 10 3Pa，進而控制氫化及脫氫處理時氣氛中的氮分子含量較 少，避免U-Mo合金在氫化和脫氫熱處理過程中與微量氮發生高溫反應，從而有效降低了最 終產物U-Mo合金粉末中的氮含量；第四，控制破碎時間不超過10s，減少了破碎過程中U-Mo 合金氫化物與氮元素的反應時間，從而降低了最終產物U-Mo合金粉末中的氮含量，更佳 地，所述破碎時間可優選6-10s，此時，不僅能夠有效控制最終產品中的氮含量在150 μ g/g 以內，還能保證U-Mo合金所需粉末粒度，即，控制U-Mo合金粉末的粒度為44 μ m-125 μ m。
[0009] 本發明所述的U-Mo合金粉末制備工藝不僅適用于少量的U-Mo合金粉末的制備， 還適用于公斤級U-Mo合金粉末的制備。
[0010] 其中，本發明中涉及的υ-Μο合金均是指Mo含量為2wt%-12wt%的合金。Mo含量 太低，對U-Mo合金燃料的輻照穩定性有不利影響；Mo含量太高，對提高U-Mo合金燃料的鈾 密度有不利影響，同時使得U-Mo合金難以氫化。
[0011] 其中，所述步驟4)中進行破碎處理時的轉速可以為24000±4800r/min。
[0012] 其中，所述步驟2)中的活性金屬粉為能夠與氮元素發生反應的金屬粉，具體如鋯 粉、鈦粉等等，而為了保障去除氮元素的效果，更佳地，活性金屬粉應預燒至少2h，預燒時可 將活性金屬粉放置在lkw的小電爐上預燒。
[0013] 其中，所述步驟1)中進行氫化處理時的工藝條件并無特別限定，本領域技術人員 可根據需要進行設定，具體地，所述步驟1)中進行氫化處理時的壓力可以為〇. 3MPa。
[0014] 其中，所述步驟5 )中的脫氫處理完成后，再向所述脫氫段內充入保護氣體，使得最 終制備的產品在保護氣體的保護下卸料，避免卸料過程中引入空氣中的氮元素。
[0015] 其中，所述保護氣體為氬氣，更進一步地優選純度為99. 999%的高純氬氣。
[0016] 綜上，本發明的有益效果是：本發明所述的U-Mo合金粉末制備工藝，通過對HMD 法中的各個步驟進行嚴格的工藝控制，來控制最終制得的U-Mo合金粉末中的氮含量低于 150 μ g/g，滿足技術要求。
【具體實施方式】
[0017] 下面結合實施例，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
[0018] 實施例1 氫化處理：將lkg的U-Mo合金錠裝入氫化-破碎-脫氫一體化裝置中的過渡艙中，對 過渡艙和保護手套箱抽真空2次后，充入99. 999%的高純氬氣，然后將U-Mo合金錠轉入保 護手套箱中，再將U-Mo合金錠裝入盛料舟中送進爐管（即，氫化段)中，關閉爐門。對爐管抽 真空，真空度達3 X 10 3Pa時，充入99. 999%的高純氬氣清洗爐管兩次，充氫壓至0. 3MPa，開 始加熱氫化。
[0019] 破碎處理：氫化完成后打開爐門，將U-Mo合金氫化物取出放置在破碎段中。在破 碎段中預燒活性金屬粉末(如鋯粉、鈦粉等）2h后，對U-Mo合金氫化物進行破碎處理，破碎 時的轉速為24000±4800r/min，破碎時間為10s。
[0020] 脫氫處理：將U-Mo氫化物粉末裝入盛料舟中，送進爐管（即，脫氫段）中，關閉爐 門。對爐管抽真空，真空度達3X10 3Pa時，開始加熱脫氫。脫氫完成后往爐管充入99. 999% 的高純氬氣，出爐后對U-Mo合金粉末取樣進行氮含量分析、粉末粒度測量并將測試結果記 錄于下表1中。
[0021] 實施例2 本實施例2所示的U-Mo合金粉末與實施例1所示的U-Mo合金粉末的制備方法基本相 同，不同之處僅在于：本實施例2中的破碎時間為8s。
[0022] 實施例3 本實施例3所示的U-Mo合金粉末與實施例1所示的U-Mo合金粉末的制備方法基本相 同，不同之處僅在于：本實施例3中的破碎時間為15s。
[0023] 實施例4 本實施例4所示的U-Mo合金粉末與實施例1所示的U-Mo合金粉末的制備方法基本相 同，不同之處僅在于：本實施例4中的氫化處理及脫氫處理時的真空度為2. 0X 10 3 Pa。
[0024] 實施例5 本實施例5所示的U-Mo合金粉末與實施例1所示的U-Mo合金粉末的制備方法基本相 同，不同之處僅在于：本實施例5中的氫化處理及脫氫處理時的真空度為4. 0X 10 3Pa。
[0025] 實施例6 本實施例6所示的U-Mo合金粉末與實施例1所示的U-Mo合金粉末的制備方法基本相 同，不同之處僅在于：本實施例6中的破碎時間為6s。
從上表1中的實施例1以及實施例4-5的數據來看，可以看出，在其他工藝條件不變的 條件下，控制氫化處理及脫氫處理時的真空度不低于3. 0X 10 3Pa，能夠有效控制最終產品 中的氮含量在150 μ g/g以內。
[0027] 從上表1中的實施例1、實施例2-3以及實施例6的數據來看，在其他工藝條件不 變的條件下，控制破碎時間在l〇s內，能夠有效控制最終產品中的氮含量在150 μ g/g以內。
[0028] 更佳地，優選破碎時間為6-10s，此時，不僅能有效控制氮含量在150 μ g/g以內， 還能有效控制粉末粒度在44 μ m-125 μ m。
[0029] 如上所述，可較好的實現本發明。
[0030] 以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，依 據本發明的技術實質，在本發明的精神和原則之內，對以上實施例所作的任何簡單的修改、 等同替換與改進等，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍之內。
【主權項】
1. υ-Μο合金粉末制備工藝，其特征在于，包括以下步驟： 1) 將U-Mo合金錠在保護氣體的保護下送至氫化-破碎-脫氫一體化裝置的氫化段內， 將所述氫化段內抽真空至真空度不低于3. 0X10 3Pa，充入保護氣體清洗后，充氫氣，在預定 的溫度及壓力條件下進行氫化處理； 2) 在所述氫化-破碎-脫氫一體化裝置的破碎段內預燒活性金屬粉以去除氮元素； 3) 將上述步驟1)中氫化后的產物U-Mo合金氫化物在保護氣體的保護下移至所述破碎 段內； 4) 對所述U-Mo合金氫化物進行破碎處理，破碎時間不超過10s; 5) 將上述步驟4)中破碎處理后的U-Mo合金氫化物粉末在保護氣體的保護下移至所述 氫化-破碎-脫氫一體化裝置的脫氫段內，抽真空至真空度不低于3. 0X10 3Pa，加熱進行 脫氫處理，則制備得到U-Mo合金粉末。2. 根據權利要求1所述的U-Mo合金粉末制備工藝，其特征在于，所述步驟4)中進行破 碎處理時的轉速為24000 ±4800r/min。3. 根據權利要求1所述的U-Mo合金粉末制備工藝，其特征在于，所述步驟4)中進行破 碎處理時的破碎時間為6-10s。4. 根據權利要求1所述的U-Mo合金粉末制備工藝，其特征在于，所述步驟4)中進行破 碎處理時的破碎時間為8-10s。5. 根據權利要求1所述的U-Mo合金粉末制備工藝，其特征在于，所述步驟2)中的活性 金屬粉為能夠與氮元素發生反應的金屬粉。6. 根據權利要求5所述的U-Mo合金粉末制備工藝，其特征在于，所述金屬粉選自錯粉 或鈦粉。7. 根據權利要求1所述的U-Mo合金粉末制備工藝，其特征在于，所述活性金屬粉預燒 至少2h。8. 根據權利要求1所述的U-Mo合金粉末制備工藝，其特征在于，所述步驟5)中的脫氫 處理完成后，再向所述脫氫段內充入保護氣體。9. 根據權利要求1所述的U-Mo合金粉末制備工藝，其特征在于，所述保護氣體為氬氣。
【專利摘要】本發明公開了一種控制氮含量的U-Mo合金粉末制備工藝，包括步驟：1）將U-Mo合金錠在保護氣體的保護下送至氫化-破碎-脫氫一體化裝置的氫化段內，抽真空至不低于3.0×10-3Pa，充入保護氣體清洗后，充氫氣氫化；2）在破碎段內預燒活性金屬粉；3）將上述氫化后的產物在保護氣體的保護下移至破碎段內；4）對氫化產物進行破碎處理，破碎時間不超過10s；5）將上述步驟4）中破碎處理后的產物在保護氣體的保護下移至脫氫段內，抽真空至不低于3.0×10-3Pa，加熱脫氫。本發明通過對HMD法中的各個步驟進行嚴格的工藝控制，來控制最終制得的U-Mo合金粉末中的氮含量低于150μg/g，滿足技術要求。
【IPC分類】B22F9/02, C22C28/00
【公開號】CN105328196
【申請號】CN201510729827
【發明人】陳建剛, 尹昌耕, 李傳鋒, 孫長龍, 劉超紅, 劉云明, 劉利劍
【申請人】中國核動力研究設計院
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年11月2日