【摘要】：金屬鈾及其合金是重要的核材料,兼具結(jié)構(gòu)和功能兩方面的作用,在核工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。同時(shí),鈾及其合金的活性很高,極易與環(huán)境中的各種活性氣體(氧、氫、水汽等)反應(yīng)而導(dǎo)致腐蝕,影響其結(jié)構(gòu)和性能。鈾及鈾合金在環(huán)境氣氛中腐蝕行為與其所含雜質(zhì)、表面狀態(tài)、熱處理?xiàng)l件密切相關(guān)。鑒于目前關(guān)于雜質(zhì)對(duì)鈾合金的氧化及氫化行為研究并不充分,本論文以雜質(zhì)(Fe, Al、Si)對(duì)U-0.7wt%Ti合金表面氧化腐蝕和氫化腐蝕行為影響研究為背景而展開(kāi)。實(shí)驗(yàn)中所用U-0.7wt.%Ti合金樣品共分為三種狀態(tài),即鑄態(tài)樣品、緩冷態(tài)樣品和淬火態(tài)樣品。重點(diǎn)研究了雜質(zhì)種類、存在形式以及含量對(duì)U-0.7wt.%Ti合金氧化和氫化腐蝕行為的影響,并針對(duì)雜質(zhì)的引入導(dǎo)致材料微觀組織結(jié)構(gòu)變化進(jìn)而影響U-0.7wt.%Ti合金氧化和氫化腐蝕行為的機(jī)制給出了合理的解釋。1)通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)、激光共聚焦顯微鏡(LSCM)并結(jié)合差示掃描量熱法(DSC),考察了雜質(zhì)(Fe、Al、Si)以及熱處理工藝對(duì)U-0.7wt.%Ti合金組織結(jié)構(gòu)的影響。確定了雜質(zhì)元素在U-0.7wt.%Ti合金中主要以固溶雜質(zhì)(Fe、Al、Si)以及金屬間化合物(U3Si, U6Fe, UAl2)形式存在,還有少部分雜質(zhì)原子與鈦結(jié)合形成鈦雜質(zhì)相(TixSiy,TixAly等)。上述雜質(zhì)元素的引入還能夠細(xì)化U-0.7wt.%Ti合金晶粒,進(jìn)一步導(dǎo)致U-0.7wt.%Ti合金的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。2)采用PVT法結(jié)合在線顯微鏡研究了雜質(zhì)的種類、存在形式及含量對(duì)U-0.7wt%Ti合金與氫反應(yīng)初期動(dòng)力學(xué)的影響。氫化實(shí)驗(yàn)前通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)熱處理來(lái)確保樣品表面的一致性,并通過(guò)孕育期的長(zhǎng)短來(lái)評(píng)價(jià)雜質(zhì)的引入對(duì)U-0.7wt.%Ti合金氫化腐蝕行為的影響。結(jié)果表明,雜質(zhì)硅能夠加速淬火態(tài)U-0.7wt.%Ti合金(硅主要以固溶形式存在)以及緩冷態(tài)U-0.7wt.%Ti合金(硅主要以U,Si相形式存在)的氫化腐蝕；雜質(zhì)Si主要通過(guò)降低鈾氫化的活化位壘、促進(jìn)氫化成核來(lái)加速U-0.7wt.%Ti合金的氫化反應(yīng)。雜質(zhì)鋁對(duì)U-0.7wt%Ti合金氫化腐蝕行為的影響較為復(fù)雜,對(duì)于含雜質(zhì)鋁的淬火態(tài)(鋁主要以固溶形式存在)樣品來(lái)說(shuō),鋁主要通過(guò)細(xì)化U-0.7wt%Ti合金的晶粒,即增強(qiáng)晶界反應(yīng)來(lái)加速其氫化腐蝕；而對(duì)于含雜質(zhì)鋁的緩冷態(tài)(鋁主要以UA12相形式存在)、鑄態(tài)樣品來(lái)說(shuō),鋁主要通過(guò)抑制鈾的氫化成核來(lái)提高其抗氫化腐蝕性能。雜質(zhì)鐵能夠加速淬火態(tài)U-0.7wt.%Ti合金(鐵主要以固溶形式存在)以及緩冷態(tài)U-0.7wt.%Ti合金(鐵主要以U6Fe相形式存在)的氫化腐蝕,這主要源于雜質(zhì)鐵的引入能夠細(xì)化晶粒,從而產(chǎn)生大量的晶界而加速U-0.7wt.%Ti合金的氫化反應(yīng)。3)采用稱重法結(jié)合拉曼光譜研究了雜質(zhì)的種類和存在形式對(duì)U-0.7wt%Ti合金在潮濕密閉環(huán)境氣氛中氧化腐蝕行為的影響。結(jié)果表明,在U-0.7wt.%Ti合金中引入一定量的雜質(zhì)后,固溶鋁或固溶硅對(duì)淬火態(tài)U-0.7wt.%Ti合金的氧化腐蝕影響并不明顯,而固溶鐵能夠提高淬火態(tài)U-0.7wt.%Ti合金的抗氧化腐蝕性能。U3Si相以及UA12相的形成對(duì)緩冷態(tài)U-0.7wt.%Ti合金的氧化腐蝕影響并不明顯,而U6Fe相的形成能夠提高U-0.7wt.%Ti合金的抗氧化腐蝕性能。研究認(rèn)為雜質(zhì)對(duì)U-0.7wt.%Ti合金氧化腐蝕行為的影響與雜質(zhì)對(duì)鈾鈦合金表面氧化物向更高價(jià)態(tài)鈾氧化物轉(zhuǎn)化的抑制作用以及雜質(zhì)離子致鈾氧化層中的空位性質(zhì)相關(guān)。4)初步考察了鈾水氫三元體系的反應(yīng)性質(zhì)。結(jié)果表明,水汽對(duì)鈾氫反應(yīng)有一定的抑制作用,而氫化腐蝕對(duì)鈾水反應(yīng)有一定的促進(jìn)作用。證實(shí)U-0.7wt.%Ti合金材料貯存環(huán)境中的水汽產(chǎn)生的氫氣能夠?qū)е缕浒l(fā)生氫化腐蝕,進(jìn)而有可能引發(fā)U-0.7wt.%Ti合金的自燃,針對(duì)如何避免或控制潮濕密閉環(huán)境中鈾材料的氫化腐蝕給出了建議。5)利用氫同位素質(zhì)量變化導(dǎo)致鈾氫化物拉曼譜峰位置的相對(duì)變化關(guān)系,以及通過(guò)變更激光波長(zhǎng)來(lái)消除熒光對(duì)拉曼光譜測(cè)量的影響,首次較為準(zhǔn)確的確認(rèn)了鈾氫化物和鈾氘化物的拉曼光譜。其中,UH3的特征峰位于725和938cm-1附近,UD3的特征峰位于518和669cm-1附近。本論文的研究結(jié)果揭示了雜質(zhì)(Fe、Al、Si)對(duì)U-0.7wt.%Ti合金微觀組織的影響,以及含雜質(zhì)的U-0.7wt.%Ti合金內(nèi)在結(jié)構(gòu)變化和雜質(zhì)元素自身性質(zhì)與氧化腐蝕和氫化腐蝕之間的關(guān)聯(lián)。例如雜質(zhì)鐵一方面通過(guò)細(xì)化U-0.7wt.%Ti合金的晶粒來(lái)加速其氫化腐蝕,另一方面又能通過(guò)抑制表面鈾氧化物向更高價(jià)態(tài)鈾氧化物的轉(zhuǎn)化(鐵元素自身性質(zhì))來(lái)提高其抗氧化腐蝕性能。上述這些研究結(jié)果有助于深入理解雜質(zhì)對(duì)鈾及鈾合金氧化腐蝕和氫化腐蝕行為的影響,并能夠?qū)︹櫦捌浜辖鹪趯?shí)際應(yīng)用中的腐蝕防護(hù)提供有益的指導(dǎo)。
【圖文】：

圖１．５邋３００Ｋ，在不同Ａｒ＋滿射時(shí)間下的Ｕ化單晶表面Ｈ２Ｏ吸附后的Ｈｉ解吸１１２１逡逑（小插圖計(jì)算的是＆峰面積巧＆／＆0峰面積比）逡逑Ｓｅｎａｎａｙａｋｅ等考察了水汽在化學(xué)計(jì)量Ｕ0２邋Ｗ及有缺陷的單晶Ｕ0２邋（１１１）表面的反應(yīng)逡逑

Ｓｅｎａｎａｙａｋｅ等還使用同步福射Ｘ射線光源的高分辨光電子譜研究了水在化學(xué)計(jì)量逡逑Ｗ及有缺隋的Ｕ0２薄膜表面的反巧觀察和量化了在還原表面上化０分子的分解和逡逑缺陷的氧化復(fù)原。３００ＩＣ，0２0在化學(xué)計(jì)量１］化表面的吸附，出現(xiàn)少量的０Ｄ邋（５３２ｅＶ），逡逑可能是形成在痕量的衷面缺陷上，，如圖１．６所示。相反的是，在３００ＫＡｒ＋漉射下（還原逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL341

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 伏曉國(guó),劉柯釗,汪小琳,柏朝茂,趙正平;鈾鈮合金在O_2氣氛中氧化初期的XPS研究[J];核技術(shù);2001年10期

本文編號(hào)：2658861