铀铌合金中的碳化物夹杂研究进展

赵海斌，熊 伟

（中国工程物理研究院材料研究所，四川 江油 621908）

随着核能开发的深入，以及我国核电事业的不断发展，U及其合金材料在核工业中扮演着重要的角色。其中，U-Nb合金因具有高的密度、优异的力学性能和耐腐蚀性能，在核工程中常被用作重要的结构材料。U-Nb合金作为结构材料使用时，其综合力学性能的提升一直是研究人员追求的目标。在U-Nb合金中，影响力学性能的关键材料学因素包括铌元素含量、组织相结构、杂质元素含量及夹杂物等。U-Nb合金中的组织和相结构显著地受铌元素含量、热处理工艺的影响，已有大量文献报道了关于成分-组织及相结构-热处理工艺之间的关系，但关于杂质元素含量以及夹杂物对U-Nb合金力学性能的影响却少有报道。

1 铀铌合金中产生夹杂物的主要原因

核工业中通常采用真空感应熔炼技术制备铀铌合金，熔炼过程中的坩埚选择石墨坩埚。铌的熔点为2467℃，铀的熔点为1132℃，铌的熔点远远高于铀的熔点。铀铌合金熔炼过程中，为保证铌充分熔解在铀中，需长时间在较高温度下进行熔炼，这会导致石墨坩埚中的碳元素对铀熔体的污染，从而形成碳化物夹杂。

铀和铌都是强碳化物结合元素，在高温熔化状态下都很容易与碳发生反应生成UC或者Nb2C夹杂物。此外，在大容量铀铌合金熔炼过程中，真空度的变化还会带来氮和氧等杂质元素对金属溶液的污染，形成UN或者UO夹杂物。UN与UC、UO的晶格都是面心立方结构，且晶格常数接近，UN与UC很容易形成固溶体，即形成U（N，C）或者U（C，O）夹杂物。

2 铀铌合金中碳化物夹杂的形貌

图1给出了（-U中典型夹杂物的典型形貌特征。图1（a）中四方形的夹杂物为含有N、O元素的UC复合夹杂物。对图1（a）中的夹杂物采用FIB技术取样通过TEM进行分析（图1（b）），分析结果表明夹杂物由两层结构组成，投射电镜分析表明内层结构主要为具有NaCl结构的U（N，C）复合夹杂，并包含了少量具有CaF2结构的U（N，O）2夹杂物，U（N，C）夹杂物和U（N，O）2夹杂具有一定的位向关系。通过TEM-EDS分析，U（N，C）夹杂中主要为C元素，但是对于双层夹杂物来说，外层夹杂物的N含量低于内层夹杂物，氧在两层夹杂物中含量都较低。

图1 纯铀中的夹杂物[1]

在U-Nb合金熔炼过程中，Nb元素很容易和溶解在铀中的C发生反应生成Nb2C夹杂物。借助金相和TEM技术对U-Nb合金中的主要碳化物夹杂进行分析，结果表明在U-Nb合金中的主要夹杂物为U（N，C）、Nb2C和UO2，并且这几种夹杂物容易发生偏聚。从金相组织的分析来看，U（N，C）夹杂物呈现灰色，并表现出方形。TEM分析表明U（N，C）复合夹杂物具有NaCl结构，EDS分析表明U（N，C）夹杂物中含有少量的氧，氧在U中会形成UO2，在U（N，C）夹杂物中也观察到了U（N，O）2夹杂物的存在，这和纯铀中夹杂物的分析结果相一致。Nb2C夹杂物一般在金相组织中呈现白色，并表现出多边形状，Nb2C夹杂物的电子衍射结果与具有AsNi结构的γ-Nb2C相非常接近。关于U-Nb合金中Nb2C夹杂物的精细结构还需要进一步的确定。

图2 U-6Nb合金中的夹杂物[2]

图3 U-Cr合金中碳杂质元素含量对强度和延伸率的影响[3]

图4 不同碳含量U-Cr合金拉伸断口形貌[3]

3 碳化物夹杂对力学性能的影响

铀铌合金中的夹杂物是裂纹产生的源头，夹杂物的存在很容易导致材料提前断裂，表现出低的塑性和低的断裂韧性。夹杂物体积分数很高时，往往还会降低材料的强度。图3给出了U-Cr合金中的强度和延伸率随碳含量的变化规律，结果表明随着碳含量的增加强度在一定范围内保持不变，但当碳含量继续增加，基体的强度随着碳含量的增加而显著降低。杂质元素对延伸率影响非常明显，随着碳含量的增加延伸率显著降低。当碳含量很高时，U-Cr合金基本发生脆性断裂。图4给出了两个典型碳含量U-Cr合金断口形貌，结果表明夹杂物是微裂纹产生的源头，夹杂物的增加导致微裂纹迅速连接并向基体中扩展，合金更容易发生脆性断裂而表现出低的塑性。

关于夹杂物对U-Nb合金力学性能的影响却少有报道，这也是本课题组下一步的研究方向。但可以推测，夹杂物对U-Nb合金力学性能的影响具有相近的机制。

4 铀铌合金中夹杂物去除方法

基于夹杂物对铀铌合金力学的影响，在U-Nb合金冶金过程中，常采用多种处理方式对夹杂物进行去除。常用的铀净化方法包括过滤法、真空熔炼、重力沉降、区域熔炼、电子束熔炼等等，但每种方法仅对铀中部分杂质元素或夹杂物有一定去除效果，但是对于尺寸较小的夹杂物去除效果不明显。为了降低铀中的杂质元素或夹杂物，采用多种技术联用是一种可行的思路。