一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料，该材料由以下质量含量的成分组成：Ta 5％～7％，Gd 1％～15％，余量为Ti及不可避免的杂质，该合金利用钛钽合金在硝酸中优良的耐蚀性能，以及钆元素优秀的中子吸收性能，形成具有良好耐硝酸腐蚀的钛

【技术实现步骤摘要】
一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于耐硝酸腐蚀钛合金
，具体涉及一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]我国核电发展速度逐渐加快，核乏燃料产生量和储存量也随之增大，这对我国核乏燃料后处理能力提出了更高要求，进一步扩大商用后处理厂建设规模刻不容缓。
[0003]目前世界各国的乏燃料后处理广泛采用普雷克斯(Purex)水法流程，通过后处理提取和回收有用的可裂变元素，并对放射性废物进行妥善处理和安全处置。Purex流程首先要将乏燃料组件剪切成短段，之后用高浓度硝酸在亚沸腾或沸腾温度下进行浸取溶解，制备后续流程所需的溶解料液。溶解所用的关键设备，其处理能力、溶解过程操控难易程度以及自身的可靠性等都将直接决定整个工厂的年处理能力和开工率。关键设备的工作环境具有高放射性和强腐蚀性的特点，设备维修难度高，关键设备维修和更换费用远超过设备本身的造价，并且可能导致人员受辐射受伤和放射性污染。因此，就要求相关设备具有高运行可靠性。另外，在大型商用后处理厂中一些高放射性和大容积的硝酸料液容器的设计中，需要引入中子毒物材料吸收环境中的中子，以防临界事故发生。因此，开发耐硝酸腐蚀的中子吸收材料在乏燃料后处理工业中具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料。该材料利用钛钽合金在硝酸中优良的耐蚀性能，以及钆元素优秀的中子吸收性能，形成具有良好耐硝酸腐蚀的钛
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钽
‑
钆三元固体中子毒物材料，以满足乏燃料后处理工业对耐蚀中子毒物材料的需求。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料，其特征在于，该材料由以下质量含量的成分组成：Ta 5％～7％，Gd 1％～15％，余量为Ti及不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中：Fe不大于0.15％，Co不大于0.01％，C不大于0.08％，N不大于0.03％， H不大于0.01％，O不大于0.25％。
[0006]本专利技术的钛基中子吸收材料在沸腾硝酸中具有优异的耐蚀性，主要是由于合金表面的钝化膜具有较强的氧吸附层，且合金中的金属具有d层的电子空位，而溶液中的氧可以提供配位电子，从而在表面形成氧化膜，氧化膜主要由TiO2和Ta2O5构成，钝化层能够阻碍合金表面与腐蚀介质发生反应，并且能改善氧化膜和过渡层在酸中的腐蚀稳定性，进而提高合金的耐蚀性能，Ta作为合金化元素，通过增加Ta的含量可以有效提高了钛合金的耐硝酸腐蚀性能，然而，当Ta的添加量大于6％时，Ta含量与钛合金的腐蚀速率变化曲线进入低腐蚀平台区，钽氧化物钉扎钛合金表面钛氧化物膜的强化效果达到饱和，Ti和Ta与氧形成的钝化膜的致密性与耐溶解性均得到峰值，钛钽合金的腐蚀速率下降变缓，当进一步提高Ta含量时，合金的耐硝酸腐蚀性能提高不明显，且过高的Ta会增加材料的成本，因此，本申请
的钛合金中控制钽的质量含量为5％～7％，在兼顾材料低成本的同时，保证了钛基中子吸收材料具有稳定可靠的低腐蚀速率。
[0007]天然金属钆(Gd)有两种具有极高中子吸收截面的同位素
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Gd (60600b)和
157
Gd(139000b)，其中子吸收截面远大于
10
B(3837b)，具有优异的中子吸收性能，同时考虑到Gd在吸收中子后不产生氦离子，与含B合金相比，含Gd合金辐照后不易因产生氦泡而发生肿胀，因此，Gd是制备耐蚀中子吸收合金的首选添加元素。
[0008]本专利技术利用金属钆中子吸收截面大的特点，采用钆作为合金化元素添加到钛合金中，由于本专利技术的钛基中子吸收材料主要用于乏燃料后处理工况，中子均为热中子，当Ti
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Ta合金中添加金属Gd时，合金吸收中子能力显著增强，且随着Gd含量提高，合金中子吸收性能逐渐提高，当Gd 含量大于15％后，合金中子吸收性能提升幅度较小，无限制提高合金中 Gd元素含量会严重恶化合金塑性和热加工性能，且考虑到Gd元素在吸收中子后会发生消耗，为确保合金使用寿命，综合考虑，本专利技术控制Ti
‑
Ta 合金中Gd的质量分数为1％～15％。
[0009]本专利技术为避免对钛基中子吸收材料的耐腐蚀性能的降低作用，控制铁的质量含量不超过0.15％，碳的质量含量不超过0.08％，氮的质量含量不超过0.03％，保证了钛基中子吸收材料的中子吸收性能和耐腐蚀性能，控制氢的质量含量不超过0.01％，避免钛合金发生氢致脆性，进一步保证了钛基中子吸收材料的低腐蚀速率和强塑性，为降低钴的感生放射线的影响，钴的质量含量设计不超过0.01％。
[0010]上述的一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料，其特征在于，该材料由以下质量含量的成分组成：Ta 5％～6％，Gd 10％～15％，余量为Ti及不可避免的杂质。
[0011]上述的一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料，其特征在于，该材料由以下质量含量的成分组成：Ta 6％，Gd 15％，余量为Ti及不可避免的杂质。
[0012]另外，本专利技术还提供了一种制备耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0013]步骤一、将钛钽中间合金屑、钆屑和海绵钛混合后进行熔炼，得到钛合金铸锭；
[0014]步骤二、将步骤一中得到的钛合金铸锭进行锻造，得到钛合金锻件；
[0015]步骤三、将步骤二中得到的钛合金锻件进行热轧，得到钛合金轧件；
[0016]步骤四、将步骤三得到的钛合金轧件进行热处理，得到耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料。
[0017]本专利技术中先将钛钽中间合金屑、钆屑和海绵钛混合后进行熔炼，充分将Ta，Gd和Ti三种成分混合均匀，得到钛合金铸锭，然后通过一系列的锻造、轧制加工，得到所需形态的钛合金轧件，最后通过热处理，消除内部的应力，得到耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料。
[0018]上述的方法，其特征在于，步骤一中所述熔炼的方法为真空自耗电弧熔炼法、非自耗真空电弧炉熔炼法、冷炉床熔炼法、冷埚熔炼法或电渣熔炼法；所述钆屑的添加量在理论添加量的基础上增加15％～30％。本专利技术通过控制熔炼的方法，保证了Ta，Gd和Ti三种成分混合均匀，得到钛合金铸锭；由于熔炼过程中Gd元素的挥发和烧损，为获得目标产物钛合金的设计成分，Gd元素添加量需在理论成分基础上增加15％～30％，才能保证最终得到的耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料成品中Gd含量与设计含量相同。
[0019]上述的方法，其特征在于，步骤二中所述锻造的过程为：依次进行开坯锻造、中间锻造和成品锻造，其中开坯锻造的温度不低于1050℃，中间锻造的温度为950℃～1000℃，
中间锻造的火次不低于1次，成品锻造的温度为860℃～900℃；所述锻造中每火次锻造的镦粗和拔长次数均不低于3 次；所述开坯锻造的单次锻造压下量为30％～40％，所述中间锻造和成品锻造的单次锻造压下量为30％本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料，其特征在于，该材料由以下质量含量的成分组成：Ta 5％～7％，Gd 1％～15％，余量为Ti及不可避免的杂质；所述不可避免的杂质中：Fe不大于0.15％，Co不大于0.01％，C不大于0.08％，N不大于0.03％，H不大于0.01％，O不大于0.25％。2.根据权利要求1所述的一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料，其特征在于，该材料由以下质量含量的成分组成：Ta 5％～6％，Gd 10％～15％，余量为Ti及不可避免的杂质。3.根据权利要求1所述的一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料，其特征在于，该材料由以下质量含量的成分组成：Ta 6％，Gd 15％，余量为Ti及不可避免的杂质。4.一种制备如权利要求1
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3中任一权利要求所述的耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将钛钽中间合金屑、钆屑和海绵钛混合后进行熔炼，得到钛合金铸锭；步骤二、将步骤一中得到的钛合金铸锭进行锻造，得到钛合金锻件；步骤三、将步骤二中得到的钛合金锻件进行热轧，得到钛合金轧件；步骤四、将步骤三得到的钛合金轧件进行热处理，得到耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料。5.根据权利要求4所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴金平，吴俊宇，李欢，赵恒章，赵彬，杨帆，
申请(专利权)人：西安稀有金属材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：