铀铌合金真空电磁熔凝过程中的电磁效应

U-Nb alloy is a kind of important structural and functional material that is widely used in nuclear engineering. Due to the physical and chemical property differences of Nb and U elements and the solidification characteristics of U-Nb alloys, problems such as incomplete alloying and segregation may easily occur in the preparation process of U-Nb alloy. So,high quality U-Nb alloy preparation technology is always the research emphasis and difficulty of the field of nuclear engineering materials. This study intends to introduce composite electromagnetic field into the U-Nb alloy preparation process, to carry out basic research work on U-Nb alloy vacuum electromagnetic melting new technology. On the one hand, this study can enrich the understanding of electromagnetic field theory by revealing the dissolution and dispersion rules of alloying elements under the function of composite electromagnetic field and the electromagnetic control mechanism of microstructure in the solidification process, it has theoretical significance. On the other hand, this study can provide theoretical guidance to the preparation of high performance U-Nb alloys, it has practical significance.

铀铌（U-Nb）合金是核工程中重要的结构材料和功能材料。由于Nb元素和U元素间物理化学性质的差异及铀铌合金的凝固特点，在U-Nb合金制备过程中极易出现合金化不充分及Nb元素的偏析严重等问题，恶化U-Nb合金性能。高质量的铀铌（U-Nb）合金制备技术一直是核工程材料领域研究的难点和重点。本研究拟将复合电磁场引入到铀铌合金制备过程中，开展铀铌合金真空电磁熔凝新技术基础研究工作。本研究一方面可以揭示复合磁场作用下合金化元素的溶解扩散规律和凝固过程中微观组织电磁调控机制，丰富电磁场作用理论，具有较大的理论意义；另一方面可以为高性能铀铌合金的工程制备提供理论指导，具有重大的实际意义。

铀与铌合金化形成铀铌（U-Nb）合金，具有优异的综合力学性能和良好的抗腐蚀性能，是核工程中重要的结构材料和功能材料。由于U元素和Nb元素物理化学的差异及U-Nb合金的凝固特点，在制备过程中极易出现合金化不充分及铌元素严重偏析等问题，恶化了铀铌合金的性能。高质量U-Nb合金制备一直是核工程材料领域研究的难点和重点。本研究将不同类型的电磁场引入铀铌合金的制备过程，开展U-Nb合金熔凝过程中Nb组元的溶解迁移扩散规律、微观组织演变规律及溶质再分布规律的研究工作。得到的主要结论如下：.1.将旋转磁场与行波磁场相结合，设计制造出新型复合磁场发生器，可同时产生r、θ和z向三维可调电磁力，可实现金属熔体在r-θ面和r-z面可控驱动，构建了适用于U-Nb合金真空熔凝的研究平台。.2.在大熔点差合金（U-Nb、Al-Sn）的合金化过程中，施加电磁场能够加快高熔点元素的扩散和重新分布，提高高熔点金属在低熔点金属熔体中的溶解速率；行波磁场对合金化的作用效果优于旋转磁场，可解决大熔点差合金的合金化不充分问题。.3. 在组元密度差大、凝固区间宽的合金（U-Nb、Al-Sn）凝固过程中，施加电磁场能够细化凝固组织，与施加单一旋转磁场或行波磁场相比，施加复合磁场的细化晶粒效果更优；施加单一旋转磁场时恶化合金轴向重力偏析，施加行波磁场时重力偏析有所改善，而施加复合磁场时效果最优，几乎完全解决了合金元素的各向宏观偏析问题。.4. 复合磁场能够显著优化U-Nb合金的力学性能和耐腐蚀性能。施加复合磁场的U-Nb合金屈服强度达到366MPa，抗拉强度达到779MPa，断后延伸率达到29%，断面收缩率达到30%；相比未加复合磁场处理的样品屈服强度提高16.3%，抗拉强度提高27%，断后延伸率提高9%，断面收缩率提高8%；与未施加电磁场的U-Nb合金相比，施加复合磁场的U-Nb合金耐腐蚀性提高，自腐蚀电位从-304.6mV提高到-129.3mV，腐蚀电流密度也下降10.7%。