铀合金相图的高通量构建研究

法涛¹*，张雷¹，莫文林¹，夏元华²，张昌盛²，周鹏³，杜勇³，白彬¹，刘柯钊¹，汪小琳⁴

¹中国工程物理研究物院材料研究所，四川江油，621907

²中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳，621999

³中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙，410083

⁴中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳，621999

摘要：铀元素具有放射性、高密度以及良好的金属特性，在核工业领域有非常广泛的应用。合金化是改善铀材料性能的主要方法，获得准确相图是进行合金设计的重要部分之一。有关铀合金相图及热力学性质的大量研究工作是美国、前苏联等在上个世纪50～80年代间完成的。我国对铀合金材料的相平衡等基础理论和实验方面的研究工作还很少，与美俄等国相比还存在较大差距。因此开展铀合金相图的构建研究具有重要的科学意义。

由于具有放射性，铀材料的实验成本较高，研究周期较长。因此我们借鉴材料基因工程的思想，采用高通量制备与高通量表征手段，高效开展了铀合金相图实验研究，加速构建铀合金多元相图。通过中子高温原位衍射实验，确定了U-Nb相图中的一系列关键温度和相区，成功解决了美苏相图存在的争议，建立了具有自主知识产权的U-Nb相图。相比于传统相图实验中动辄处理几十上百个样品，中子高温原位衍射的研究效率有了数量级的提升。制备了U-Nb-Zr-Ti多元扩散节，并在同步辐射光源上实现了U-Nb-Zr多元扩散节成分和结构的高通量表征，一次实验获得了上百个微区的成分和结构数据，极大地提高了多元相图的实验效率；结合热力学计算，高效构建了U-Nb-Zr三元合金相图。

关键词：铀合金；相图；中子衍射；同步辐射。