《鈾合金相圖計算及其微觀組織演化的相場模擬研究》是依託廈門大學，由劉興軍擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：鈾合金相圖計算及其微觀組織演化的相場模擬研究
- 項目類別：聯合基金項目
- 項目負責人：劉興軍
- 依託單位：廈門大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鈾合金是重要的核工程材料，由於其特殊的同素異構轉變，導致其室溫下穩定態的αU相機械性能很差，而鈾鈮合金則能通過時效等熱處理工藝使得其在室溫下的機械性能有很大的提高。然而，目前國內對鈾鈮合金的熱力學性質、微觀組織演化以及相變動力學特徵的研究還非常匱乏。由於核能技術對國民生產及國防建設具有重大的雙重戰略意義，因此，利用CALPHAD技術，對鈾鈮合金穩態和亞穩態的相平衡和熱力學性質進行最佳化與計算，以及建立相場動力學模型，模擬鈾鈮合金凝固和固態相變中的組織演化，解明其在不同工藝條件下的相變規律，為鈾鈮合金的設計提供重要的基礎理論積累。同時，該研究對人類有效地利用核資源、提高核反應堆的效率等方面也具有重要的現實指導意義。
結題摘要
該項目基本按照原計畫進行，在完成項目計畫的同時，通過與合作方協商，結合合作方需求，也做了相關研究工作。在進一步精確最佳化U-Nb二元合金中各相的熱力學參數的基礎上，計算了穩定態和亞穩態下bcc相分離的成分範圍和溫度範圍。通過與合作方溝通與協商，以積累核燃料熱力學資料庫信息為目的，收集了大量的實驗數據，採用CALPHAD技術，最佳化計算了具有穩定γ相的U-X(Ti, Mo) 二元系， Pu-X (Be, Cd, La, Zn) 二元系， U-Nb-Si三元系，Zr-Fe-Cr三元系等相關的核燃料元件和包殼材料的相圖進行了熱力學最佳化和計算，並補充實驗測定了相關體系的實驗相圖，為建立多組元核燃料原件材料和包殼材料設計資料庫奠定了基礎。由於核材料通常都暴露在輻照場條件下，並結合合作方需求，本研究建立了輻照場作用下的熱力學模型，完成了輻照場作用下U-Nb合金的相圖計算。研究表明，在輻照的作用下，低溫區出現了穩定的高溫相γ和一個具有下臨界點的溶解度間隙。該計算結果較好的與已報導的實驗結果取得了一致，為進一步預測材料在輻照條件下的變化情況提供了參考。 在熱力學計算的基礎上，結合Scheil-Gulliver模型，計算了U-Nb合金平衡凝固和非平衡凝固過程中液相和固相的相分數，為該類合金凝固工藝的制定提供重要的理論指導。通過考慮溫度場、枝晶生長和界面能各向異性等因素，建立了U-Nb合金凝固過程的相場動力學模型。基於熱力學最佳化得到的U-Nb合金的熱力學參數，以及收集到的U-Nb合金相關的物理化學性質的參數，模擬了 U-Nb 二元合金在不同初始條件下凝固組織的演化過程。討論了過飽和度、潛熱對 U-Nb 合金等溫枝晶生長的影響。基於本研究最新最佳化的U-Nb二元合金系的熱力學信息，建立相場動力學模型，模擬了不同溫度和初始成分條件下的U-Nb合金時效過程的組織演化過程。重點對γ相U-Nb合金在時效過程中，晶界形核機制對新生的α晶粒和富Nb的γ晶粒彼此協同長大的生長過程的影響。本項目中凝固和時效過程的模擬結果，可為U-Nb合金的組織控制和工藝最佳化提供重要的理論指導。 本項目在研究期間，已在Journal of Nuclear Materials、Journal of Phase Equilibria and Diffusion、CALPHAD等國際學術期刊上發表論文5篇。
