一种高致密度镧铅金属间化合物LaPb3及其制备方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202411573281.X | 申请日 | 2024-11-06 |
| 公开(公告)号 | CN119061276A | 公开(公告)日 | 2024-12-03 |
| 申请人 | 中国科学院合肥物质科学研究院; | 申请人类型 | 科研院所 |
| 发明人 | 杨幸明; 张敏; 丁文艺; 刘静; 姜志忠; 罗林; 郑明杰; 曹海波; | 第一发明人 | 杨幸明 |
| 权利人 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 权利人类型 | 科研院所 |
| 当前权利人 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 当前权利人类型 | 科研院所 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：安徽省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：安徽省合肥市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：安徽省合肥市蜀山区蜀山湖路350号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：230000 |
| 主IPC国际分类 | C22C1/02 | 所有IPC国际分类 | C22C1/02 ; C22C11/00 ; B22D7/00 ; G21B1/11 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 9 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 合肥国和专利代理事务所 | 专利代理人 | 孙永刚; |
| 摘要 | 本 发明 公开一种高致 密度 的镧铅金属间化合物LaPb3及其制备方法，本发明属于新材料技术领域，具体涉及 核聚变 中子 倍增剂材料技术领域，本发明制备方法如下：原料金属铅和金属镧按照特定摩尔比进行原料混合，在惰性气体保护下进行悬浮熔炼，充分反应后得到镧铅金属间化合物LaPb3；采用 水 冷模具浇铸，快速成形以保证 铸锭 的致密度。本发明通过悬浮熔炼充分反应和水冷浇铸快速成型，减少了原料金属镧和金属铅低熔点易挥发导致的烧损，避免了浇铸成型过程中LaPb3的分解和镧元素偏析团聚，制备得到的镧铅金属间化合物LaPb3铸锭致密度大于90%，满足核聚变中子倍增剂材料性能要求。本发明设计的制备方法简单，有利于大规模工业生产。 | ||
| 权利要求 | 1.一种高致密度镧铅金属间化合物LaPb3的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种高致密度镧铅金属间化合物LaPb3及其制备方法技术领域背景技术[0002] 核聚变反应过程是基于氘（D）和氚（T）反应产生氦（He）和14.1 MeV中子（D+T→He+n），反应过程中需要连续提供T，而在自然环境中无法直接获得这种元素，需要通过中子照 射氚增殖剂材料产氚，即中子与Li元素反应产T以实现聚变堆中氚自持。并非所有来自聚变 反应的中子都可用于T生成，其中一部分中子由于结构材料和非功能材料的寄生吸收而损 失。因此，需要中子倍增以产生额外的中子来补偿损失的中子。 [0003] 目前国际上研究最广泛的两种中子倍增金属材料：铍和铅。铍具有足够高的（n，2n）中子倍增反应率（阈值约为1.86 MeV），同时具备高熔点（1287℃）特征，因此可在聚变示 范堆（DEMO）的固态包层中以固态形式使用。但Be基倍增剂也存在很多缺点，如自然储量受 限，成本高，毒性强等。与Be相比，铅（n，2n）中子倍增反应阈值较高（约为6.76 MeV），但对于 14.1MeV聚变中子铅具有比Be高的反应截面。同时铅基材料用作中子倍增剂具有储量丰富、 价格低廉等优势而被广泛关注。LaPb3由于熔点高于1100℃，可以以固体形式使用，是最有 希望用于固态中子倍增剂的铅基固体化合物之一。在成本方面，与使用固体Be基中子倍增 剂的固态包层相比，填充致密LaPb3材料将大大减少聚变堆DEMO的经济成本。 [0004] DEMO固态包层的中子倍增剂需要具备较高的致密度以满足使用性能要求。国外已有报道LaPb3材料可以通过感应熔炼法和电弧熔炼法制备得到。常规感应熔炼方法短时间 内反应不充分，需要结合机械搅拌促进原料反应，长时间加热会加剧原料挥发烧损。而电弧 熔炼法通过等离子放电瞬间加热到高温区，原料金属铅熔点较低，瞬时高温会造成剧烈挥 发，制备得到的材料存在严重的偏析和孔隙。因此已有报道的制备工艺均无法制备得到固 态中子倍增剂所需的块材性能要求。 [0005] 想要制备得到高致密度的金属间化合物LaPb3块材十分困难，国内外均无相关报道。这是因为原料金属铅和金属镧易挥发，常规稀土合金或者铅基合金熔炼一般选择熔点 接近或者微量掺杂，LaPb3体系中金属镧和金属铅的组分含量大，两种金属原料的熔点差巨 大，过高温度处理会引起原料挥发烧损不可控，金属镧易发生团聚，熔炼过程中需要原料充 分接触充分反应。镧铅金属间化合物结合能较低，过长时间的热处理或过高温度处理都有 可能会引起材料的分解或者挥发。总而言之，金属镧和金属铅反应过程中存在的过度挥发 烧损、金属镧团聚和分解反应都会导致浇铸过程形成孔隙，严重影响铸锭的致密度，很难制 备得到致密度大于90%的镧铅金属间化合物LaPb3铸锭。 发明内容[0006] 本发明的目的是提供一种高致密度镧铅金属间化合物LaPb3及其制备工艺，通过设计悬浮熔炼充分反应和水冷浇铸快速成型，调控原料金属铅和金属镧的挥发烧损问题， 避免金属镧元素偏析团聚行为和金属间化合物高温分解问题，制备得到致密度大于90%的 镧铅金属间化合物LaPb3铸锭，满足固态中子倍增剂的功能需求。从而为铅基中子倍增剂研 发提供了一种经济可行的大规模工业生产方案。本发明采用的技术方案为： [0007] 一种高致密度的镧铅金属间化合物LaPb3及其制备方法，包括以下步骤： [0008] （1）以金属铅和金属镧为原料； [0010] （3）水冷模具浇铸，得到高致密度的镧铅金属间化合物铸锭； [0011] 作为本发明的优选方式之一，在所述步骤（1）中，金属铅和金属镧原料按照摩尔比3:1.05‑1.15优选3:1.1进行配比。原料比例的微量调控可以弥补烧结过程中原料金属铅和 金属镧不同程度的挥发烧损。原料金属镧和金属铅都容易挥发，在高温烧结过程中存在挥 发烧损，金属镧的烧损更为严重，因此需要对原料进行镧过量调整才能实现充分反应获得 纯相的金属间化合物LaPb3。原料中Pb含量过大会导致产物中存在金属Pb残留，金属Pb熔点 较低会严重影响金属间化合物LaPb3的中子倍增剂场景应用需要。La含量过大会导致产物 中存在金属La残留，金属La熔点低于1110℃且在空气中不稳定，会与水氧快速反应，导致化 合物水解变质，严重影响金属间化合物LaPb3稳定性及其应用功能。 [0012] 作为本发明的优选方式之一，在所述步骤（1）中，块材原料尺寸小于2cm，尺寸过大的原料融化后无法在短时间内充分搅拌。 [0013] 作为本发明的优选方式之一，在所述步骤（2）中，采用冷坩埚磁悬浮真空熔炼设备进行熔炼，熔炼的环境气体为氮气、氩气、氦气中的一种或几种。 [0014] 作为本发明的优选方式之一，在所述步骤（2）中，通过冷坩埚磁悬浮真空熔炼设备的高频磁场作用进行升温熔炼。达到原料熔点（达到镧的熔点920℃，即原料金属铅和金属 镧都融化）后继续升温使过热50‑60℃即可达到熔炼温度。 [0015] 作为本发明的优选方式之一，在所述步骤（2）中，达到熔炼温度保温并利用磁感线持续搅拌10‑20分钟。 [0016] 作为本发明的优选方式之一，在所述步骤（2）中，完成熔炼后停止加热让材料在坩埚中自然冷却至室温。将冷却成型的铸锭进行机械反转，完成翻锭。累计翻锭次数大于等于 2次。比如当原料达到熔点后继续升温过热50‑60℃，保温并利用磁感线持续搅拌10‑20min， 随后停止加热让材料在坩埚中自然冷却。将冷却成型的铸锭进行机械反转，完成一次翻锭。 然后继续重复加热处理直至达到熔点过热50‑60℃，保温并利用磁感线持续搅拌10‑20min， 降温冷却后进行第二次翻锭。然后重复高频磁场加热处理，达到熔点过热50‑60℃，保温并 利用磁感线持续搅拌10‑20min。 [0018] 作为本发明的优选方式之一，在所述步骤（3）中，采用水冷模具浇铸，浇铸过程模具温度低于60℃。 [0019] 本发明通过悬浮熔炼充分反应和水冷浇铸快速成型，减少了原料金属镧和金属铅低熔点易挥发导致的烧损，避免了浇铸成型过程中LaPb3的分解和镧元素偏析团聚，制备得 到的镧铅金属间化合物LaPb3铸锭致密度大于90%，满足核聚变中子倍增剂材料性能要求。 本发明设计的制备方法简单，可以较低的经济成本实现高致密度的镧铅金属间化合物 LaPb3的大规模批量化生产。 附图说明 [0020] 图1为实施例1得到的高致密度镧铅金属间化合物LaPb3的外观形貌图； [0021] 图2为实施例1得到的高致密度镧铅金属间化合物LaPb3的XRD图； [0022] 图3为实施例1得到的高致密度镧铅金属间化合物LaPb3的SEM图； [0023] 图4为实施例1得到的高致密度镧铅金属间化合物LaPb3的EDS元素分析图； [0024] 图5为对比例1得到的样品铸锭的外观形貌图； [0025] 图6为对比例1得到的样品铸锭的SEM图； [0026] 图7为对比例2得到的样品铸锭的外观形貌图。 具体实施方式[0028] 实施例1 [0029] 一种高致密度镧铅金属间化合物LaPb3的制备过程为： [0030] （1）以金属铅和金属镧颗粒为原料；金属铅和金属镧原料按照摩尔比3:1.1进行配比；金属铅和金属镧原料尺寸小于2cm。 [0031] （2）采用冷坩埚磁悬浮真空熔炼设备进行熔炼，在高纯氮气保护下，将配好的原料置于熔炼炉的铜坩埚中，通过高频磁场作用开始升温熔炼。原料达到熔点后继续升温过热 50℃，保温并利用磁感线持续搅拌15min，随后停止加热让材料在坩埚中自然冷却至室温。 将冷却成型的铸锭进行机械反转，完成一次翻锭。然后继续重复加热处理直至达到熔点过 热50℃，保温并利用磁感线持续搅拌15min，降温冷却后进行第二次翻锭。然后重复高频磁 场加热处理，达到熔点过热50℃，保温并利用磁感线持续搅拌15min。 [0033] 经过上述步骤即可制备得到高致密度的LaPb3铸锭，外观形貌如图1所示。 [0034] 对得到的LaPb3铸锭进行物相表征，其XRD结果如图2 所示，特征峰与PDF#65‑7232匹配，样品为LaPb3结构。 [0035] 对得到的LaPb3铸锭进行微观结构分析，其SEM形貌如图3所示，微观尺度样品表面致密。样品ESD元素分析结果如图4所示，元素镧和元素铅分布均匀，没有元素偏析和团聚。 [0036] 对得到的LaPb3铸锭进行致密度分析，采用排水法（采用酒精和水为介质）测定样品密度，利用排开液质量积换算得到样品体积，计算得到样品铸锭的密度，对比材料的理论 密度即可得到样品的致密度。结果如表1所示，材料致密度均大于90%。 [0037] 表1 LaPb3铸锭致密度测定 [0038] 介质样品质量（干重），m，（g） 样品在介质中的增重，Δm，（g） 样品排开介质体积，v=Δm/ρ，（cm3） 样品密度，ρ=m/v，（g/cm3） 致密度（LaPb3理论密度10.72g/cm3）（%）酒精1.776 0.135 0.171 10.387 96.9水 0.301 0.030 0.030 10.092 94.1 [0039] 对比例1 [0040] 感应熔炼法制备LaPb3铸锭。所述LaPb3铸锭的制备过程为： [0041] 以金属铅和镧为原料，对原材料表面进行洁净处理，对工模具表面要进行净化处理。采用真空感应熔炼炉进行生产，真空度在10Pa以下进行熔炼。铅液升温到950℃后金属 镧开始熔化，在1250℃完全熔化完后静止10分钟，重复升温3次，加强液态搅拌，确保液体合 金化。合金温度升至1350℃后静止保温，浇铸到模具内，凝固冷却3小时后出炉脱模。 [0042] 经过上述步骤即可制备LaPb3铸锭，外观形貌如图5所示。铸锭表面不平整，且存在较多坑洼和孔洞结构。 [0043] 对得到的LaPb3铸锭进行微观结构分析，其SEM形貌如图6所示，微观尺度样品表面存在明显的元素偏析，并且镧团聚区域存在明显的孔隙结构。 [0044] 对得到的LaPb3铸锭进行致密度分析，采用排水法（采用酒精和水为介质）测定样品密度，利用排开液质量积换算得到样品体积，计算得到样品铸锭的密度，对比材料的理论 密度即可样品的致密度。结果如表2所示，材料致密度均小于90%。 [0045] 该实验证明感应加热熔炼和常规模具浇铸无法得到高致密度的LaPb3铸锭，这是因为该方法无法快速实现原料金属镧和金属铅之间的充分反应以及缓慢冷却过程中LaPb3 可能出现的分解反应，这些气氛的逃逸以及元素偏析都会导致铸锭出现明显的孔隙结构， 使得铸锭致密度较低，不能满足中子倍增剂性能要求。 [0046] 表2 感应熔炼制备的LaPb3铸锭致密度测定 [0047] 介质样品质量（干重），m，（g） 样品在介质中的增重，Δm，（g） 样品排开介质体积，v=Δm/ρ，（cm3） 样品密度，ρ=m/v，（g/cm3） 致密度（LaPb3理论密度10.72g/cm3）（%）水 5.511 0.607 0.607 9.079 84酒精7.125 0.617 0.782 9.114 85 [0048] 对比例2 [0049] 电弧熔炼制备LaPb3铸锭，制备过程为： [0051] 经过上述步骤即可制备LaPb3铸锭，外观形貌如图7所示。铸锭表面不平整，且存在较严重的原料偏析。这是由于低熔点金属铅在电弧熔炼瞬间高温下产生剧烈的挥发烧损。 [0052] 该实验证明电弧熔炼方法无法制备得到高致密度的LaPb3铸锭，这是因为原料金属铅熔点较低，瞬时高温会造成剧烈的原料挥发烧损，导致样品出现严重的元素偏析，致密 度较差，不满足中子倍增剂性能要求。 |
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