U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种U‑Zr‑Be‑Ti‑Ni‑Cu系非晶基复合材料及其制备方法，以丰富非晶合金的种类，并提供一种块体铀非晶合金，以满足工业应用的需要。本发明专利技术的非晶合金作为一种新的非晶合金，其具有较好的钝化性能、抗腐蚀能力和压缩强度，并且成功制备出直径达2～15mm的非晶合金棒样，有效解决了目前尚无块体铀非晶合金的缺陷，对于非晶合金的发展具有显著的进步意义。

U Zr Be Ti Ni Cu amorphous matrix composite material and preparation method thereof

The invention discloses a U Zr Be Ti Ni Cu amorphous composite material and a preparation method thereof, in order to enrich the types of non crystal alloy, and to provide a bulk amorphous alloy of uranium, in order to meet the needs of industrial applications. Amorphous alloy of the invention is a kind of new amorphous alloy, its passivation performance, good corrosion resistance and compression strength, and successfully prepared the diameter of 2 ~ 15mm amorphous alloy rods, effectively solves the problem that there is no uranium bulk amorphous alloy, with remarkable progress the significance for the development of amorphous alloy.

【技术实现步骤摘要】
U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及材料领域，尤其是非晶合金和复合材料领域，具体为U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶基复合材料及其制备方法，该材料是以U或Zr金属为基体的U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu块体非晶合金复合材料。本专利技术的U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶基复合材料可以为带状，也能制备成块体，有效解决现有铀基合金无法制备块体的问题。
技术介绍
铀合金是重要的核能和军事材料，但晶体缺陷的存在使得现役铀合金的耐蚀性较差、力学性能不稳定，而非晶态结构的合金因没有晶体缺陷而具有优异的耐腐蚀和力学性能；因此，高性能铀非晶合金具有重要的研究意义。铀非晶合金早在上个世纪50年代已有报道，Bleiberg等人在期刊《TransactionsoftheAmericanInstituteofMiningandMetallurgicalEngineers》第212卷首次采用辐照方法获得U-Si系非晶。在上个世纪80年代，这种非晶合金研究达到高潮，其中代表性工作是Giessen等人在期刊《ActaMetallurgica》第30卷和“Proceedingsofthe3rdinternationalConferenceonRapidQuenching”国际会议上公布了U-M(M＝Fe、Mn、Co、Ni、Cr、V、Si、Os、Ir、Pd)系列二元非晶合金，以及Drehman等人在期刊《JournalofNon-CrystallineSolids》第76卷中系统地研究了U-Fe、U-Ni和U-Co系非晶合金。之后到1996年，Gambino等人在编号为US5534360的专利中又公布了U-L(L＝N，P，As，Sb，Bi，S，Se，Te，Po)系列非晶材料。上述非晶合金材料都是由国外研究机构报道，但均存在非晶形成能力不高，难以形成块体非晶材料的缺陷，因而应用受限。我国早期的铀非晶合金研究工作未见报道。从2013年开始，申请人所在团队专注于铀非晶合金研发，得到系列三元和四元的新型铀非晶合金材料。至今，我们申请国家专利技术专利3项，分别为《一种U-Pd-Ni-Si非晶合金及其制备方法》(已授权，专利号：ZL201310374514.9)、《一种铀基非晶合金的制备方法》(已授权，专利号：ZL201410580538.4)、《U-Co-Al系非晶合金及其制备方法》(申请号：201410814284.8)。此外，2015和2016年我们分别在《金属学报》期刊第51卷和《JournalofAlloysandCompounds》期刊第684卷上公开报道了相关铀非晶合金的研究成果，弥补了国内研究的空白。总的来看，不论是国外工作，还是我们近期的研究，都未能制备出块体(通常指直径不小于1mm)铀非晶合金材料。而实际上，在常规合金体系中已经开发出大量的块体非晶材料，其中部分得到工业应用。因此，能否做成块体材料是铀非晶合金能否应用的关键一点。
技术实现思路
为了实现块体铀合金材料的制备，必须提高铀合金的非晶形成能力。而大量研究结果表明多元合金化是提高非晶形成能力的最有力手段，申请人通过大量研究，成功制备出U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶合金，尤其是U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系块体非晶合金，优选以U为基体的U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu合金。本专利技术的目的在于提供一种U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶基复合材料及其制备方法，以丰富非晶合金的种类，并提供一种块体铀非晶合金，以满足工业应用的需要。本专利技术的非晶合金作为一种新的非晶合金，其具有较好的钝化性能、抗腐蚀能力和压缩强度，并且成功制备出直径达2～15mm的非晶合金棒样，有效解决了目前尚无块体铀非晶合金的缺陷，对于非晶合金的发展具有显著的进步意义。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶基复合材料，其分子式用原子百分比表示为U3-35Zr28-40Be15-22Ti9-14Ni7-10Cu8-13，该复合材料以非晶相为基体，以正交结构α-U相为弥散强化相。该复合材料为U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系条带或块体非晶基复合材料。该复合材料以U或Zr金属为主组元。该复合材料的典型原子百分比为U13.93Zr35.46Be20.35Ti10.89Ni8.61Cu10.76、U27.42Zr29.90Be16.33Ti10.02Ni7.26Cu9.07和U30.03Zr28.83Be15.73Ti9.66Ni7.00Cu8.75。该复合材料具有优异的耐腐蚀性能和力学性能。前述U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶基复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)原料配比按U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶合金的原子百分比称取各组分进行配置，得到原料；(2)母合金锭熔炼将步骤1配好的原料在惰性气体保护下进行电弧熔炼，熔炼结束后，冷却至室温，得初坯，将初坯翻转，再重复熔炼2次以上，得母合金锭；(3)产品成型在惰性气体保护下，将步骤2制备的母合金锭进行电弧或感应熔化，得到合金熔体，再将合金熔体采用甩带方法制备成条带样品，采用吸铸、喷铸方法制备直径达2～5mm的圆柱样，采用倾铸方法制备直径达15mm的圆柱样，这些样品即产品。所述步骤1中，称取的合金原料的纯度在99.5％以上。所述惰性气体为高纯氩气。所述步骤3中，对熔炼炉的腔室抽真空至低于5x10-3Pa，再向腔室内充入0.6～0.8个大气压的惰性气体进行熔炼，得合金熔体。本专利技术的研究思路如下：Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5合金是美国Johnson等人在1993年《AppliedPhysicsLetters》期刊第63卷17期公开报道的一个非晶合金，其非晶形成能力非常突出。专利技术人研究后，考虑到：(1)U的Goldschmidt原子半径为Zr的Goldschmidt原子半径为二者相近；(2)Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5合金没有Goldschmidt原子半径位于区间的组元，而U的原子半径刚好位于这一区间，因而U的加入可能有利于提高合金原子的密堆性；(3)U与Zr之间的混合焓仅为-3kJ/mol，且在800～1000℃温区中U与Zr完全互溶；(4)U与Ti之间的混合焓为0kJ/mol，且在900～1100℃温区中U与Ti也完全互溶；(5)U与Cu、Ni、Be之间的混合焓较负，能够形成较强的化合键等因素，我们将U加到Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5中进行多元合金化设计。最终，申请人通过大量分析、验证，以及反复试验，最终得到了本专利技术的技术方案。本专利技术的U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶基复合材料包括U、Zr、Be、Ti、Ni与Cu六个组元，其原子分数成分范围为：U3-35Zr28-40Be15-22Ti9-14Ni7-10Cu8-13，该复合材料以非晶相为基体、正交结构α-U相弥散强化。经试验测定，本专利技术的U3-35Zr28-40Be15-22Ti9-14Ni7-10Cu8-13合金能全部制备成块体非晶复合材料。进一步，本专利技术中，U可作为主体元素，形成U基非晶合金。该合金的典型合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
U‑Zr‑Be‑Ti‑Ni‑Cu系非晶基复合材料，其特征在于，其分子式用原子百分比表示为U

【技术特征摘要】
1.U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶基复合材料，其特征在于，其分子式用原子百分比表示为U3-35Zr28-40Be15-22Ti9-14Ni7-10Cu8-13，该复合材料以非晶相为基体，以正交结构α-U相为弥散强化相。2.根据权利要求1所述U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶基复合材料，其特征在于，该复合材料为U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系块体或条带非晶基复合材料。3.根据权利要求1或2所述U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶基复合材料，其特征在于，该复合材料以U或Zr为主组元。4.根据权利要求1或2或3所述U-Zr-Be-Ti-Ni-Cu系非晶基复合材料，其特征在于，该复合材料的典型原子百分比为U13.93Zr35.46Be20.35Ti10.89Ni8.61Cu10.76、U27.42Zr29.90Be16.33Ti10.02Ni7.26Cu9.07和U30.03Zr28.83Be15.73Ti9.66Ni...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄火根，刘天伟，柯海波，蒲朕，张鹏国，张培，吴敏，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51