收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

合金化元素钛对U-0.79wt.%Ti合金氢化行为影响研究

史鹏  
【摘要】:铀及其合金性质活泼,极易与环境气氛相互作用而发生腐蚀,导致材料使用性能降低甚至失效。这些反应中,氢化腐蚀由于具有反应剧烈、伴随有较大体胀、反应产物易燃等特性,对材料的破坏损伤也极为严重,因而备受研究者关注。由于具有非常重要的科学研究和工程应用价值,因此过去的几十年间,铀及其合金的氢化腐蚀行为一直是核材料科学研究的热点前沿。但是,铀及其合金的氢化反应相当复杂,气氛压力、反应温度、杂质气体、氧化层性质和金属的微观组织结构等诸多因素都会产生影响。更为重要的是,氢化反应具有点蚀特性,在某些特殊位置会优先成核生长。目前,研究者普遍接受晶界等处是金属铀氢化反应的优先成核点,但在反应机理方面存在争议,主要有两种观点:以英国AWE和以色列NRC-Negev为代表的一派学者认为表面氧化层差异是决定氢化成核点位的决定因素;另外一派以美国LANL和LLNL为主的研究者认为金属自身的性质特别是化学组成和微观组织结构才是决定氢化成核生长点的根本因素。从工程应用角度来讲,确定氢化反应特别是成核行为的根本机理,可以作为铀及其合金材料工程防护方案设计的出发点和支撑点。此外,这一研究领域公开的文献报道更多集中在金属铀,对于工程上应用更为广泛的铀合金涉及却相对较少。 铀钛合金--作为一种重要的铀合金材料,一方面由于较好的机械力学和抗氧化腐蚀行为在核工业中作为结构和功能材料得到广泛应用,因此研究铀钛合金氢化行为具有重要的实际应用价值;另一方面,可以对铀钛合金采取不同的热处理方法得到多样化的微观组织结构和化学组成分布,这也为氢化腐蚀成核机制等未解决的重大基础问题提供了独特的模型体系和研究机遇。所以,本论文的研究工作综合运用多种分析方法,以U-0.79wt.%Ti(后文用U-0.79Ti指代)为模型体系,我们首先确定了合金化元素钛在铀合金中的不同存在形态;制备了具有不同微观组织结构和化学分布的合金试样并研究了不同样品反应初期氢化成核点的形成、初期生长行为的差异性;观测到U-0.79Ti合金氢化成核生长点与金属微观组织结构之间存在显著关联性;实验结果为铀氢反应成核点的学术争论提供了新的实验证据,并探讨了氢化反应初期成核生长行为的反应机理。 本论文得到的主要结果如下: (1)系统研究了U-0.79Ti合金微观组织结构的多样性,特别是合金化元素钛的添加、热处理工艺、时效处理等的影响。首次阐述了钛在U-0.79Ti合金中主要以固溶(α’)、金属间化合物(U2Ti)和夹杂物等三种形态存在的观点,并指出了利用U-0.79Ti合金微观组织结构的热处理过程敏感性,可以针对性地设计样品来考察钛的各种存在形态对氢化行为的影响行为; (2)通过原位XPS研究从室温到700℃真空热处理过程中表面化学性质的变化,结合铀钛合金相图确定了适合于U-0.79Ti合金氢化实验研究的200℃真空热处理的实验方案。确认了低温热处理(200℃)会将铀及U-0.79Ti合金最外层氧化物从U02+x转化成U02,或者生成UOxCy,并讨论了其对缩短铀氢反应孕育期,加速铀氢反应的影响。此外,通过与贫铀样品的对比,本论文第一次观察到高温真空热处理过程(45℃)中U-0.79Ti合金表面UOxCy的逆分解以及钛向表面的偏析行为,揭示了钛对合金表面物理化学性质的影响,这些发现可以为铀合金中合金元素的扩散、偏析及其与微量元素相互作用的研究提供特殊而有趣的模型。 (3)利用在线体视显微镜、激光共聚焦显微镜和扫描电镜研究了具有"β+U2Ti"微观组织结构的铀钛合金氢化成核及初期生长行为,首次在实验上观察到具有某种优先取向、条状生长的铀氢化物,而且氢化物的成核在表面有较厚氧化层的α-U,生长也沿着α--U相并受到U2Ti相的约束。而且,这种结构为我们讨论氢化成核的机理提供了非常独特的模型。'β+U2Ti"铀钛合金微观上由交替的α-U和U2Ti条纹组成。扫描Kelvin探针的实验结果揭示了两种相表面功函数具有较大的差别,反映出两种相与气氛反应的活性存在差异。经分析我们发现α-U反应活性更强。因此,α-U表面生长有更厚的氧化层,如果AWE和NRC-Negev的“氧化层”观点具有普适性的话,后续的氢化成核点应该在U2Ti相,但是我们的实验结果并不支持这样一种推论,因此这一实验结果至少说明氧化层的影响是次要的,而非决定性的因素。与此相反,氢化物的成核与初期生长过程与微观组织结构之间非常好的关联对应表明金属基底的性质——微观组织结构、化学分布、物理化学性质等才是决定氢化成核生长行为的根本因素。 (4)利用在线体视显微镜和激光共聚焦显微镜,我们进一步研究了500℃时效2h的U-0.79Ti合金的氢化行为,观察到氢化成核点非常形象地勾勒出了铀钛合金原高温Y相的晶界。结合500℃时效会导致马氏体首先沿着晶界分解为α+U2Ti的实验事实,通过对比相分解区域和未发生分解区域的氢化行为,我们发现固溶钛能够提升铀的抗氢化腐蚀能力。这一实验现象进一步佐证了“金属材料的性质是影响和决定氢化成核点的主要因素”的观点。 (5)进一步运用在线体视显微镜我们原位研究了钛的夹杂物在氢化反应初期与成核点之间的关联性,发现夹杂物附近通常毗邻氢化成核点,而且夹杂物附近的氢化反应更加剧烈,大部分扩展为成核生长点,对金属材料的损伤更具侵略性。通过与文献中关于金属铀中夹杂物(主要指UC)氢化行为的对比,我们发现,两者之间存在一定的可类比性。这种缺陷加速氢化反应的机制目前还不是十分清楚,需要开展进一步的研究工作。但是,这个实验发现和展示了化学元素分布的不均匀性、微观结构的不连续性对氢化反应的显著影响。 通过本博士论文研究工作的开展,一方面确定了合金化元素钛在合金中的不同存在形态,以及各种形态对氢化腐蚀成核生长的影响;另一方面,铀钛合金微观组织结构多样性的特征为研究氢化成核机制提供了独特的模型,而实验上观察到的氢化成核点和微观组织结构之间的对应、关联性为“金属的性质是决定氢化成核点的主要因素”的观点提供了有力佐证,促进了氢化腐蚀成核机制的研究。此外,研究结果揭示出合金中化学组分分布的不均匀性和微观组织结构的差异性往往会对材料的抗氢化腐蚀带来不利的影响,这也为工程上改善铀及其合金的抗氢化腐蚀能力提供了有益的指导和支撑。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 韩金勇,崔风杰;脂肪酸氢化制硬脂酸的可行性研究[J];化工科技市场;2001年04期
2 李振环;氢化丁晴橡胶制品生产技术转让[J];包装与食品机械;2003年02期
3 汪多仁;;木糖醇的生产技术及应用[J];饮料工业;2008年01期
4 杜书伟;王榕;林柄裕;魏可镁;;碱土金属氧化物对蒽醌氢化催化剂性能的影响[J];福州大学学报(自然科学版);2008年02期
5 牟晓红;;向日葵籽壳生产木糖醇的工艺及方法[J];化工技术与开发;2008年08期
6 В.И.Луткова ,郑平;糠醛——塑料中间体合成的原料[J];化学世界;1955年04期
7 И.В.卡列契茨,郑禄彬,徐成东;某些破坏加氢用气相催化剂的氢化、异构化及裂化活性[J];化工学报;1958年01期
8 ;工业植物油氢化的改进模型[J];武汉工业学院学报;1984年Z1期
9 何森泉;由三氯戊烯酮合成氢化吡唑环和氢化异恶唑环[J];云南大学学报(自然科学版);1991年01期
10 许勇,吴善良,汪仁;二氧化碳氢化固定反应催化剂的研究[J];环境科学学报;1993年03期
11 陈翠华,丁泓滨;棕榈油应用手册(Ⅱ)[J];中国油脂;1993年01期
12 Jhin Sue Jang,于宗顺;用铼-锡催化剂氢化油酸制9-十八烯-1-醇[J];表面活性剂工业;1994年02期
13 ;燕山将建2万t/a氢化碳九石油树脂装置[J];合成树脂及塑料;1998年02期
14 赵贵兴;油脂的氢化[J];资源开发与市场;2000年04期
15 王榕,林墀昌,陈天文,林建新,毛树禄;稀土金属氧化物对Pd/δ,θAl_2O_3催化蒽醌氢化制H_2O_2性能的影响[J];催化学报;2004年09期
16 刘庆生,秦丽娟,常英,赵平;CO_2反应法制备氢化锆表面氢渗透阻挡层的研究[J];表面技术;2005年02期
17 朱铭洪,汪锡灿,盛娟芬;作业场所空气中氢化三苯的紫外分光光度法测定[J];中国卫生检验杂志;2005年06期
18 翟爱霞;;超细Ni粉催化剂对长链不饱和脂肪酸加氢性能的研究[J];中国粮油学报;2007年05期
19 杜蕊;朱长进;;芳香氨基酮选择性还原反应的研究[J];化学通报;2009年01期
20 史美仁,宋明仁,彭少逸;低度氢化研究贾汪镜煤质的组成结构 Ⅰ.低度氢化产品中中性油的硅胶液体色谱分离[J];燃料化学学报;1965年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 谢俊波;李洪波;于天杰;;H_(12)MDI的制备[A];中国聚氨酯工业协会第十次年会论文集[C];2000年
2 柳东明;韦涛;李李泉;;氢化燃烧合成法制备Mg-Mg_2Ni储氢合金氢化物[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年
3 胡海宇;曹菁;向俊峰;陈传峰;;螺旋结构诱导的蒽醌选择性催化氢化反应[A];全国第十四届大环化学暨第六届超分子化学学术讨论会论文专辑[C];2008年
4 李亚飞;周震;;石墨烯纳米带的电学和磁学性能调控的计算研究[A];第十届全国计算(机)化学学术会议论文摘要集[C];2009年
5 张传祖;单启明;何静丽;;乙酸环己基乙酯的合成[A];2000年中国香料香精学术研讨会论文集[C];2000年
6 王建耀;孙运强;孙传寿;刘国华;;介孔硅材料负载的手性金属铱催化剂的制备及苯乙酮不对称氢化反应的研究[A];第一届全国精细化工催化会议论文集[C];2009年
7 彭坤;刘富生;杨枣;胡爱平;唐元洪;;氢气处理对FeZrNbBCu纳米晶合金磁性的影响[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅰ[C];2004年
8 李科慧;沈文忠;;用于太阳电池的氢化纳米硅薄膜均匀性和带隙调控的研究[A];第十五届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2009年
9 刘金丽;张兆富;马珺;吴天斌;王伟涛;王前;韩布兴;;环氧丙烷促进CO_2氢化合成甲酸甲酯[A];中国化学会第28届学术年会第1分会场摘要集[C];2012年
10 杨守文;汪宏年;姚东华;胡平;;TI地层多分量感应测井资料的快速迭代反演算法[A];中国地球物理2010——中国地球物理学会第二十六届年会、中国地震学会第十三次学术大会论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 史鹏;合金化元素钛对U-0.79wt.%Ti合金氢化行为影响研究[D];中国工程物理研究院;2013年
2 蔡国斌;无定形碳酸钙的一些合成、转化及性质研究[D];中国科学技术大学;2010年
3 王梅;双金属团簇磁性与氢化的理论研究[D];河南大学;2010年
4 刘立成;不饱和脂肪酸及莫能菌素对羊瘤胃、血液脂肪酸合成的影响[D];东北农业大学;2009年
5 何成江;化学模拟唯铁氢化酶活性中心[D];大连理工大学;2004年
6 袁宝国;置氢Ti–6Al–4V合金室温变形行为及改性机理研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
7 帅茂兵;铀合金的氢化特性和氢化处理研究[D];中国工程物理研究院;2001年
8 瞿峻;Ti(C,N)基金属陶瓷增强技术及其组织和性能研究[D];华中科技大学;2010年
9 王韶颖;Ti基光催化材料的微结构调控及性质研究[D];山东大学;2013年
10 陈文;聚咪唑鎓离子液的合成及在催化有机反应、自组装形成聚合物反向胶束方面的应用[D];四川大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 曹坤;碳杂质对铀氢化腐蚀行为的影响[D];中国工程物理研究院;2011年
2 郭延举;新型噻咯、氢化噻咯及其衍生物的合成、表征及光电性能研究[D];杭州师范大学;2012年
3 蒋成君;催化加氢法合成2,2’-二氯氢化偶氮苯[D];浙江大学;2005年
4 陈锡广;Ti(C,N)颗粒增强铁基复合材料制备工艺及性能的研究[D];广西大学;2012年
5 马仁涛;基于“团簇+连接原子”结构模型的β-Ti固体合金成分设计其力学性能研究[D];大连理工大学;2010年
6 郑维;原位合成Ti(C,N)-TiB_2增强金属基熔覆层组织与耐磨性研究[D];黑龙江科技学院;2011年
7 张琪瑛;氢化和氟化石墨烯材料的第一性原理研究[D];烟台大学;2012年
8 庞卫卫;金属材料微观损伤的分子动力学研究[D];中国工程物理研究院;2011年
9 王剑锋;过渡金属Sc,Ti掺杂硼团簇结构与稳定性的密度泛函理论研究[D];山西师范大学;2012年
10 孟显娜;添加Ti对Al-Mn-Mg-RE合金热变形及挤压组织性能的影响[D];湖南大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 陈其珏 编辑 李小兵;保利协鑫 20万吨冷氢化技改项目投产[N];上海证券报;2010年
2 本报记者 张静波;蛋糕“奶油”多是氢化植物油混合物[N];中国消费者报;2005年
3 宋跃;电子十一院与新光硅业开展氢化技术合作[N];中国电子报;2008年
4 本报记者 雷黎丽;四氯化硅热氢化技术填补国内空白[N];乐山日报;2009年
5 ;TI将重点转移到高端手机应用处理业务[N];中国电子报;2008年
6 记者  王晴 通讯员  彭展 熊石溪 李四毛;氢化SBS不再依赖进口[N];湖南日报;2006年
7 记者 王正喜;江苏中能20万吨冷氢化项目投产[N];徐州日报;2010年
8 记者 郭成林;乐电天威硅业拟实施技改 两大股东将增资3.82亿[N];上海证券报;2011年
9 晓勇 编译;对症用药[N];中国计算机报;2001年
10 保健时报特约专家 范志红;小心“奶精”的美丽欺骗[N];保健时报;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978