一种铀表面UC1-xNx固溶体制备方法、其产品及应用技术

本发明专利技术公开了一种铀表面UC1‑xNx固溶体制备方法、其产品及应用，目的在于解决以UC、UN为原材料在1200℃条件下通过固态扩散制备UC‑UN固溶体时，存在工作时间较长，且难以避免金属铀、U2C3、UC2物相的出现的问题。本发明专利技术在控制真空室杂质的前提下，在CH4（其它含碳气源，如C2H4、C2H2均可）和N2混合气氛中，以金属铀为基体，利用脉冲激光在铀表面制备UC1‑xNx固溶体。本发明专利技术的铀表面UC1‑xNx固溶体中，x值（C与N的比例）能通过改变碳氢化合物气源与N2分压进行调制，N2分压比处于0.7～1区间时，改性层对铀基体将会体现较优异的保护效果。本发明专利技术中铀表面UC1‑xNx固溶体物相单一，能作为侯选核燃料UC‑UN材料体系性能研究的原材料，具有较高的应用价值和较好的应用前景。

Preparation method, product and application of UC1-xNx solid solution on uranium surface

The invention discloses a preparation method, product and application of UC1 xNx solid solution on uranium surface. The purpose is to solve the problem of long working time and difficult to avoid the occurrence of metallic phases of uranium, U2C3 and UC2 when UC and UN are used as raw materials to prepare UC UN solid solution by solid diffusion at 1200C. Under the premise of controlling impurities in the vacuum chamber, the UC1 xNx solid solution is prepared on the uranium surface by pulsed laser in the mixed atmosphere of CH4 (other carbon-containing gas sources, such as C2H4 and C2H2) and N2. In the UC1 xNx solid solution of the uranium surface of the present invention, the x value (the ratio of C to N) can be adjusted by changing the hydrocarbon gas source and the partial pressure of N2. When the partial pressure ratio of N2 is in the range of 0.7 to 1, the modified layer will have better protection effect on the uranium matrix. The uranium surface UC1 xNx solid solution of the present invention has a single phase and can be used as raw material for studying the properties of the candidate nuclear fuel UC UN material system. It has high application value and good application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种铀表面UC1-xNx固溶体制备方法、其产品及应用
本专利技术涉及金属防护领域，尤其是活性金属表面防腐蚀领域，具体为一种铀表面UC1-xNx固溶体制备方法、其产品及应用。本专利技术制备的固溶体物相单一，性质稳定，能够有效提升铀材料表面的耐腐蚀性能。
技术介绍
金属铀作为一种重要的材料，其在核工程领域应用非常广泛。但铀材料性质活泼，极容易与环境介质(如O2、H2O、CO2等)发生化学、电化学作用，而发生腐蚀，进而影响铀材料的物理、化学及核性能。因此，提高铀金属的抗腐蚀能力具有重要意义。通过对铀材料表面进行氮化处理制备的以UN(YongbinZhang等，Pulsedlasernitridingofuranium.JournalofNuclearMaterials,397(2010)31–35)为主的防护改性层，为金属铀材料表面腐蚀防护提供了较好的帮助。根据固溶体相关理论，UC1-xNx固溶体热力学稳定性与x取值相关，x取值存在一定范围，使UC1-xNx热稳定性均优于UC和UN，并可能在某些性能的变化上有所体现。因此，制备物相单一的UC1-xNx固溶体是研究UC1-xNx作为铀材料腐蚀防护保护层的基础。J.WILLIAMS等人以UC、UN为原材料在1200℃条件下通过固态扩散制备了UC-UN固溶体(J.WILLIAMS,R.A.J.SAMBELL,JOURNALOFTHELESS-COMMONMETALS,1(1959)217-226)，该制备方法工作时间长达数十小时甚至100小时以上，且难以避免金属铀、U2C3、UC2物相的出现。T.NOMURA等人利用UC+N2或UN+石墨的反应制备UC-UN固溶体(T.NOMURA,M.KATSURAandT.SAN0，ONTHEFORMATIONOFUC-UNSOLIDSOLUTIONS，JOURNALOFNUCLEARMATERIALS43(1972)234-244.)，该方法所使用设备复杂，制备时间长，产物中除了UC-UN固溶体，同样存在U2C3、UC2、石墨等非目标物相，且不同实验小组制备的UC-UN固溶体杂质相差异较大，以致以此为原料研究UC1-xNx性能存在较大差异的现象。为此，本专利技术提供一种新的制备方法，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对以UC、UN为原材料在1200℃条件下通过固态扩散制备UC-UN固溶体时，存在工作时间较长，且难以避免金属铀、U2C3、UC2物相的出现的问题，提供一种铀表面UC1-xNx固溶体制备方法、其产品及应用。本专利技术提供一种铀表面UC1-xNx固溶体制备方法，并基于该方法制备铀材料表面腐蚀防护层。本专利技术在控制真空室杂质的前提下，在CH4(其它含碳气源，如C2H4、C2H2均可)和N2混合气氛中，以金属铀为基体，利用脉冲激光在铀表面制备UC1-xNx固溶体。本专利技术的铀表面UC1-xNx固溶体中，x值(C与N的比例)能通过改变碳氢化合物气源与N2分压进行调制，N2分压比处于0.7～1区间时，改性层对铀基体将会体现较优异的保护效果。本专利技术中铀表面UC1-xNx固溶体物相单一，能作为侯选核燃料UC-UN材料体系性能研究的原材料，具有较高的应用价值和较好的应用前景。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种铀表面UC1-xNx固溶体制备方法，以金属铀为基体，在含C、N混合气氛中，利用脉冲激光在铀表面制备UC1-xNx固溶体。包括如下步骤：(1)控制环境：先去除铀表面氧化层，再对金属铀进行表面清洗，然后将清洗后的金属铀放入真空室中，并将真空室内抽真空至20Pa以下；(2)铀表面UC1-xNx固溶体制备：先用高纯N2对真空室及管道进行清洗，再向步骤1的真空室内充入碳源气与N2混合气体，然后通过激光器对金属铀表面进行全面扫描；扫描结束后，将真空室气体排出，取出样品，完成铀表面UC1-xNx固溶体的制备。所述步骤1中，采用机械打磨去除金属铀表面的氧化层。所述步骤1中，分别采用酒精、丙酮、压缩氮气对去除表面氧化层的金属铀进行表面清洗。所述步骤1中，利用机械泵将真空室抽至20Pa以下。所述步骤2中，碳源气为CH4、C2H4、C2H2中的一种或多种。所述步骤2中，扫描结束后，将真空室内的气体抽至废气排放系统。所述步骤2中，充入的混合气体的气压高于1atm。所述步骤2中，真空室内的总气压高于2atm。所述步骤2中，通过激光器对金属铀表面进行全面扫描时，单个脉冲激光能量密度为4～25J/cm2。采用前述方法所制备的产品。该UC1-xNx固溶体中，UC1-xNx固溶体物相单一，除了少量自由金属铀之外，不含其他铀的碳化物或铀的氮化物。所述UC1-xNx固溶体的厚度为100nm～2μm。所述铀表面UC1-xNx固溶体中，x的范围为0.01～0.99。前述铀表面UC1-xNx固溶体作为铀表面腐蚀防护体或核燃料UC-UN固溶体体系的应用。针对前述问题，本专利技术提供一种铀表面UC1-xNx固溶体制备方法、其产品及应用。本专利技术，以金属铀为基体，在高纯含C、N混合气体氛围下，利用脉冲激光与金属铀表面作用中所表现出来的快速熔化与快速凝固非平衡过程特征，同时利用UC、UN和其他铀的碳化物、氮化物熔点的差异，以及高温下C和N元素在液态金属铀中的溶解恰好适中的特性，在铀表面制备具有一定厚度的UC1-xNx固溶体。本专利技术所制备的UC1-xNx固溶体中，除了含部分自由金属铀(可以控制，使自由金属铀含量低于5％)，不含其他铀的碳化物或氮化物。进一步，该方法的操作步骤如下：(1)控制环境：首先去除铀表面氧化层，再分别用酒精、丙酮、压缩氮气对去除氧化层的金属铀进行表面清洗，再将清洗后的金属铀放入真空室中，然后将真空室内抽真空至20Pa以下；(2)铀表面UC1-xNx固溶体制备：先用高纯N2对真空室及管道进行清洗，然后向步骤1真空室充入一定分压比的CH4(或其它含碳气源，如C2H4、C2H2均可)和N2混合气体，设定激光器工作参数，并对金属铀表面进行全面扫描，扫描结束，将真空室气体抽至专用废气排放系统，取出样品，便完成了铀表面UC1-xNx固溶体的制备。该方法中，可以采用机械打磨的方式去除金属铀表面的氧化层，可利用机械泵将真空室抽至20Pa以下。其中，步骤2中，在C源、N源充足的情况下，通过调节激光能量密度(单个脉冲激光能量密度：4～25J/cm2)实现UC1-xNx固溶体厚度的控制，厚度可调范围为100nm～2μm；而通过改变碳源气与N2分压，能够改变UC1-xNx固溶体中C与N的比例，理论上只要充气系统足够灵敏，CH4和N2的分压比可以任意调节，总气压需高于1atm。进一步，N2分压比处于0.7～1区间时，UC1-xNx固溶体对铀基体具有优异的抗腐蚀保护效果。同时，通过调节激光能量密度(即调节激光脉冲扫描速度、光斑重叠率)控制UC1-xNx固溶体的厚度，在气源充足的情况下(总气压大于2atm)，激光能量密度越高，熔池深度越大，改性层厚度也越大，并有效保证UC1-xNx固溶体改性层成分均一。同时，本专利技术在制备时，虽然熔池上方等离子体温度高达数千开尔文，但基体温度基本保持常温状态，对于精密工件的尺寸影响极小，能够满足精密工件的加工需求，具有较好的应用前景。与利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铀表面UC1‑xNx固溶体制备方法，其特征在于，以金属铀为基体，在含C、N混合气氛中，利用脉冲激光在铀表面制备UC1‑xNx固溶体。

【技术特征摘要】
2018.06.15 CN 20181061889151.一种铀表面UC1-xNx固溶体制备方法，其特征在于，以金属铀为基体，在含C、N混合气氛中，利用脉冲激光在铀表面制备UC1-xNx固溶体。2.根据权利要求1所述铀表面UC1-xNx固溶体制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）控制环境：先去除铀表面氧化层，再对金属铀进行表面清洗，然后将清洗后的金属铀放入真空室中，并将真空室内抽真空至20Pa以下；（2）铀表面UC1-xNx固溶体制备：先用高纯N2对真空室及管道进行清洗，再向步骤1的真空室内充入碳源气与N2混合气体，然后通过激光器对金属铀表面进行全面扫描；扫描结束后，将真空室气体排出，取出样品，完成铀表面UC1-xNx固溶体的制备。3.根据权利要求2所述铀表面UC1-xNx固溶体制备方法，其特征在于，所述步骤2中，碳源气为CH4、C2H4、C2H2中的一种或多种。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘柯钊，钟火平，莫川，张永彬，胡殷，陈志磊，吴艳萍，孙超伦，
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