СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО ИЗДЕЛИЯ ИЗ УРАНА
METHOD OF PRODUCING A POROUS URANIUM ARTICLE

Изобретение относится к порошковой металлургий, а именно к способам изготовления металлических пористых изделий с регулируемой пористостью.
Известен способ изготовления пористого металлического изделия из алюминия путем введения в алюминиевый расплав водорастворимых гранул (патент RU 2455378, С22С 1/08, публ. 10.07.2012). В качестве водорастворимых гранул используют смесь соды и желатина в соотношении: сода (95,0-99,5) %, желатин (0,5-5,0) %. Приготавливают алюминиевый расплав и перегревают его выше температуры ликвидус. Алюминиевый расплав заливают в форму, при этом расплав заполняет полости между гранулами. После затвердевания алюминиевого расплава изделие извлекают из формы и помещают в воду, при этом гранулы растворяются в воде, образуя поры.
К причинам, препятствующим использованию данного способа для получения пористого урана, в первую очередь, относится то, что уран способен взаимодействовать с водой, и, кроме того, в известном способе необходимо получить расплав металла. Расплав урана получить довольно сложно из-за высокой температуры плавления урана, которая составляет 1133°C, при этом работы с расплавом урана осложнены его токсичностью и радиоактивностью.
Известен способ получения изделий из пористого бериллия (патент RU 2106931, B22F 3/14, публ. 20.03.1998). Способ заключается в загрузке в пресс-форму исходного порошка, содержащего гидрид бериллия и металлический бериллий, нагревании до (140-190)°C, прессовании при давлении (200-400) МПа. При достижении заданной плотности заготовки осуществляют термическое разложение (дегидрирование) гидрида бериллия путем нагрева пресс-формы с заготовкой при температуре 700°C и выдерживанием при этой температуре в течение 30-60 минут. После этого пресс-форму охлаждают и вьшрессовывают готовое изделие. Массовое содержание гидрида бериллия в исходной смеси определяют в зависимости от заданной плотности изделия. Способ позволяет получать пористые изделия из бериллия заданной геометрии без дополнительной обработки, а также с регулируемой однородной пористостью в диапазоне (10-70)%, высоким процентом связанных друг с другом мелких пор, ячеистой структурой и большой площадью внутренней поверхности.
Основными недостатками данного способа являются необходимость прессования исходного порошка с использованием специальных пресс-форм, и наличие влияния эффективности стадии прессования на структуру получаемых образцов вследствие разноплотности получаемых прессовок.
Наиболее близким способом к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ изготовления пористого изделия из гидридообразующих металлов IIA, IIIB, IVB, VB групп путем загрузки в форму, уплотнения и термического разложения порошков гидридов этих металлов (патент US 4560621, B22F 3/14, публ. 1985). Данный способ выбран в качестве прототипа.
-2
Термическое разложение гидрида осуществляют в вакууме, при этом образец разогревают до температуры, превышающей температуру разложения гидрида. Выделяющийся водород удаляют со скоростью, достаточной для поддержания остаточного давления в системе на уровне не более 10 мм рт. ст. Оставшийся в контейнере металл нагревают до температуры, составляющей (0,5-0,7) от температуры его плавления, с целью спекания образующихся гранул металла в течение времени до ~1 часа. Способ позволяет получать продукт с довольно однородной открытой пористостью до ~75% с размером пор менее 200 мкм.
Основными недостатками этого способа является изменение геометрических размеров образцов вследствие усадки материала при спекании, возможность «выноса» частиц исходного порошка потоком газа при вакуумировании и в процессе разложения гидрида, что оказывает отрицательное влияние на конечную структуру образцов.
Задачей заявляемого изобретения является получение пористых изделий из металлического урана заданной геометрии, которые характеризуются высокой степенью однородности пористой структуры.
При использовании изобретения достигается следующий технический результат:
- повышение степени однородности структуры пористых изделий;
- исключение возникновения трещин и других макродефектов в пористых изделиях вследствие механических напряжений, возникающих при термической обработке;
- исключение «выноса» частиц исходного порошка потоком газа при вакуумировании и термическом разложении гидрида.
3
-3
2
2
Для решения указанной задачи и достижения технического результата предлагается способ получения пористого изделия из урана, включающий загрузку исходного порошка гидрида урана в форму, помещение формы с исходным порошком в реакционную камеру, вакуумирование и термическое разложение гидрида урана, последующее спекание, в котором, согласно изобретению, загрузку исходного порошка гидрида урана в форму производят в инертной среде при плотности, близкой к насыпной плотности, нагрев проводят непрерывно до температуры 270-300°C с последующим ступенчатым повышением температуры до 700-750°C с шагом 10-20°C с выдержкой на каждой ступени до прекращения выделения газа, при этом скорость отвода газа из формы ограничивают на уровне не более 45 см/мин, а спекание проводят при температуре не менее 760°C в среде динамического вакуума при остаточном давлении в системе не более 10 мм. рт. ст. При этом форму с исходным порошком, изготовленную из водородостойкого металла, устанавливают в обкладки из водородостойкого металла, а для обеспечения заданной скорости отвода газа из формы в выходное отверстие формы помещают металлорезиновый фильтр с пропускной способностью не более 135 см/с⋅атм. Размер частиц исходного порошка гидрида урана составляет не более 90 микрон.
Технический результат заявляемого изобретения, заключающийся в повышении степени однородности структуры спеченных образцов, достигается за счет размещения исходного порошка гидрида урана в форме путем свободной засыпки без уплотнения или путем свободной засыпки с последующей утряской. Вследствие этого исходная плотность порошка близка к его насыпной плотности, которая варьируется за счет варьирования фракционного состава исходного порошка. При этом влияние разноплотности исходного порошка на структуру получаемых спеченных образцов снижается из-за отсутствия стадии уплотнения (прессования). Исходная плотность порошка, загружаемого в прессформу, может варьироваться от насыпной до плотности после виброуплотнения.
Для предотвращения локальных перегревов порошка, которые могут приводить к резкому повышению давления внутри сборки и являться причиной появления дефектов в структуре получаемых изделий, экспериментальным путем подобраны параметры дегидрирования. Дегидрирование проводят постадийно, начиная от температуры (270-300)°C с последующим ступенчатым повышением температуры с шагом (10-20)°C до температуры (700-750)°C с выдержкой на каждой ступени до прекращения выделения газа. Спекание проводят при температуре не менее 760°C в среде динамического вакуума при остаточном давлении в системе не более 10° мм. рт. ст.
3
Исключение «выноса» частиц исходного порошка выделяющимся газом обеспечивают за счет ограничения максимального значения скорости отвода газа из формы, которая была подобрана экспериментальным путем и составила величину не более 45 см/мин. В частном случае, скорость отвода газа обеспечивалась размещением в выходном отверстии сборки спрессованных металлорезиновых фильтров с заранее заданным значением пропускной способности. Оптимальное значение пропускной способности фильтров определяют экспериментально на модельных сборках таким образом, чтобы исключить возможность «выноса» частиц порошка потоком газа, при этом обеспечить приемлемую скорость вакуумирования формы с помещенным в нее образцом до заданной величины остаточного давления. Для обеспечения требуемой скорости отвода газа также может быть использован вентиль с изменяемым проходным сечением, оснащенный уловителем частиц.
Установка формы с порошком в обкладки из водородостойкого материала позволяет снизить вероятность возникновения разноплотности порошка из-за его вибрационного уплотнения при манипуляциях со снаряженной формой, а также исключить разрушение сборки вследствие механических напряжений, возникающих при нагреве и в процессе выделения газа при дегидрировании.
Заявляемый способ позволяет использовать для получения пористых изделий из урана в качестве исходного порошка протид и дейтерид урана, при этом вследствие пирофорности данных материалов их загрузку в форму заданной геометрии проводят в инертной среде в перчаточном боксе.
Таким образом, заявленная совокупность признаков обеспечивает достижение указанного технического результата.
-3
-3
Заявленный способ получения пористого урана осуществляют в следующей последовательности: исходный порошок гидрида урана с размером частиц менее 90 микрон в инертной среде помещают в форму заданной геометрии при плотности, близкой к насыпной плотности исходного порошка. В выходном отверстии формы размещают металлорезиновый фильтр с заданным значением пропускной способности, после чего форму устанавливают в обкладки из водородостойкого материла, и далее, вместе с обкладками размещают в реакционной камере вакуумной установки. Систему вакуумируют до остаточного давления не более ~10 мм. рт. ст., после чего нагревают реакционную камеру от комнатной температуры до температуры (270-300)°C в непрерывном режиме. Далее начиная от температуры (270-300)°C осуществляют ступенчатый нагрев камеры с шагом (10-20)°C до температуры (700-750)°C с выдержкой на каждой ступени до прекращения выделения газа. Дальнейшее спекание проводят при температуре не менее 760°C в среде динамического вакуума при давлении не более 10 мм. рт. ст.
Пример 1.
2
2
3
-3
-3
В форму сферической геометрии поместили порошок гидрида урана с размером частиц менее 40 микрон методом свободной насыпки без дополнительного уплотнения. Масса порошка, помещенного в форму, составила 234 г. В выходное отверстие формы установили металлорезиновый фильтр с пропускной способностью 106 см/с⋅атм, обеспечивающий скорость отвода газа из формы в процессе всего эксперимента не более 45 см/мин. После сборки реакционной камеры провели ее вакуумирование до остаточного давления ~10 мм. рт. ст, нагрели образец в непрерывном режиме до температуры 300°C и далее осуществили его ступенчатый нагрев до 750°C с шагом 10-20°C. Общее время дегидрирования образца составило 25 часов. После достижения температуры 750°C выделение газа из образца прекратилось. После прекращения выделения газа провели спекание материала при температуре внутри сборки 760°C в среде динамического вакуума при остаточном давлении в системе ~10 мм. рт. ст. Общее время спекания образца составило 16 часов. Полученная сфера из пористого урана имела гладкую твердую поверхность светло-серого цвета, при этом относительная пористость изделия составила ~70%. Сфера обладала достаточно однородной пористой структурой; отсутствие трещин и других макродефектов в объеме образца было подтверждено методом рентгеновского просвечивания.
Пример 2.
2
2
3
-3
-3
В форму цилиндрической геометрии поместили порошок дейтерида урана с размером частиц менее 63 микрона, который далее уплотнили путем утряски. Масса порошка, помещенного в форму, составила 53 г. В выходное отверстие формы установили металлорезиновый фильтр с пропускной способностью 113 см/с⋅атм, обеспечивающий скорость отвода газа из формы в процессе всего эксперимента не более 45 см/мин. После сборки реакционной камеры провели ее вакуумирование до остаточного давления ~10 мм. рт. ст, нагрели образец в непрерывном режиме до температуры 270°C и далее осуществили его ступенчатый нагрев до 710°C с шагом (10-20)°C. Общее время дегидрирования образца составило 8 часов. После достижения температуры 710°C выделение газа из образца прекратилось. После прекращения выделения газа провели спекание материала при температуре внутри сборки 760°C в среде динамического вакуума при остаточном давлении в системе ~10 мм. рт. ст. Общее время спекания образца составило 4 часа. Полученное изделие из пористого урана цилиндрической формы имело гладкую твердую поверхность светло-серого цвета, при этом его относительная пористость составила ~52%. Изделие обладало достаточно однородной пористой структурой; отсутствие трещин и других макродефектов в объеме образца было подтверждено методом рентгеновского просвечивания.
По заявляемому способу были получены несколько изделий сферической и цилиндрической формы с использованием дейтерида и протида урана с размером частиц не более 90 микрон. При анализе их структуры методом рентгеновского просвечивания было установлено, что структура пористых изделий обладает высокой степенью однородности, при этом трещины и другие макродефекты в полученных изделиях отсутствуют.