本发明属于金属材料，尤其是涉及一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料及其制备方法。
背景技术：
1、乏燃料后处理通常采取purex流程，即采用硝酸溶解剪切后的燃料芯块，然后用萃取剂去除核裂变产物，回收具有利用价值的核素的过程。由于乏燃料后处理的关键设备服役与强放射性、高温、强腐蚀介质等极为苛刻的工作条件下，对关键设备的用材提出了极高的要求。
2、锆合金对硝酸等强酸腐蚀具备优异的抗蚀性且具备适中的力学性能，是乏燃料后处理设备的优选材料。考虑到乏燃料中包含有大量的放射性元素，具有较高的中子辐射强度，但锆本身不具备中子吸收能力；而诸如碳化硼、含硼聚乙烯、含硼不锈钢等传统的中子吸收材料，难以兼具优异的耐酸腐蚀及力学性能，因此无法满足乏燃料后处理设备的制造要求。因此，开发兼具抗腐蚀性能、优异的中子吸收性能及良好的力学性能的新型材料是整个乏燃料后处理技术中亟待解决的基础性、关键性问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料。该锆基中子吸收材料通过以zr为基体，以ti和gd为主要合金元素，形成了一种具备优异中子吸收性能和极高抗腐蚀性能zr-ti-gd三元合金，解决了现有的中子吸收材料难以兼具优异的耐酸腐蚀性能的问题。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：ti 0.5%~10%，gd 0.5%~10%，余量为zr及不可避免的杂质。
3、本发明以zr为基体，将具备高热中子吸收截面的gd以及具备良好抗腐蚀性能的ti添加到zr基体中，得到zr-ti-gd三元合金的锆基中子吸收材料；该锆基中子吸收材料具备优异的中子吸收性能，且在硝酸溶液中表面极易发生钝化，形成一层致密的由tio2和zr2o5构成的氧化膜，该氧化膜能够有效避免锆基中子吸收材料与硝酸溶液进一步反应，提高了锆基中子吸收材料的耐酸腐蚀性能；同时，由于gd与ti合金元素的加入，使得锆基中子吸收材料中产生局部点阵畸变，增大了位错运动阻力，从而使锆基中子吸收材料具备较高的强度。
4、上述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料，其特征在于，所述锆基中子吸收材料由以下质量百分比的成分组成：ti 5%，gd 6%，余量为zr及不可避免的杂质；所述不可避免的杂质由以下质量百分比的成分组成：fe不大于0.1%，si不大于0.1%，c不大于0.02%，n不大于0.03%，h不大于0.01%，o不大于0.3%。
5、上述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料，其特征在于，所述锆基中子吸收材料的屈服强度为400mpa以上，抗拉强度为510mpa以上，断后伸长率不低于16%，在浓度为6mol/l的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率小于0.006mm/a。
6、本发明还公开了一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
7、步骤一、根据目标锆基中子吸收材料成分组成，称取海绵锆、海绵钛及钆粒，将海绵锆、海绵钛及钆粒混合后进行压制，然后进行真空熔炼，得到合金铸锭；
8、步骤二、将步骤一中得到的合金铸锭进行机械加工后锻造，得到合金锻件；
9、步骤三、将步骤二中得到的合金锻件进行轧制，得到合金轧件；
10、步骤四、将步骤三中得到的合金轧件进行热处理后冷却，得到锆基中子吸收材料。
11、上述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述真空熔炼采用真空自耗电弧熔炼、非自耗真空电弧炉熔炼、冷炉床熔炼、冷埚熔炼以及电渣熔炼中的一种。
12、上述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述钆粒的质量为所述目标锆基中子吸收材料中gd元素质量的120%~125%。
13、本发明通过真空熔炼保证了合金材料中ti、gd及zr三种成分的均匀混合及充分合金化，同时使得杂质含量得到有效控制；由于熔炼过程中gd元素会出现烧损和挥发，为获得目标产物的设计成分，钆粒添加量需要在目标产物gd元素质量的基础上增加20%~25%，以保证得到的锆基中子吸收材料中gd元素含量与目标产物相符。
14、上述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述锻造过程为依次进行开坯锻造、中间锻造及成品锻造，所述开坯锻造为将合金铸锭加热至1050℃~1150℃进行1火次锻造，所述中间锻造为将合金铸锭加热至950℃~1050℃进行1~5火次锻造，所述成品锻造为将合金铸锭加热至800℃~950℃进行1~3火次锻造，所述合金锻件的形状为棒材或板材。
15、本发明通过控制开坯锻造的温度不低于1050℃，使得开坯锻造在合金铸锭塑性好、变形抗力小的条件下进行，以确保合金铸锭内部铸态组织充分破碎，避免开坯锻造温度过低影响合金铸锭的塑性，以及使合金铸锭产生较高的变形抗力阻碍锻造变形向内部渗透，导致合金铸锭形成粗大且不均匀的内部组织，并降低后续锻造过程中锻件塑性及加工性能；通过控制中间锻造的温度为950℃~1050℃，在该温度范围内锻造时合金晶粒能够充分细化，细化的晶粒在此温度区间能够缓慢长大，随后于800℃~950℃的温度区间进行成品锻造，该温度范围在(α+β)/β相变点以下，可以避免合金铸锭产生粗大组织，防止β脆性发生。
16、本发明通过控制合金锻件的形状，保证后续轧制时能够以板材或棒材的形状为基础进行，便于使合金轧件达到需要的形状。
17、上述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的制备方法，其特征在于，所述每火次锻造的镦粗和拔长次数均不低于3次，所述开坯锻造的每火次锻造压下量为30%~40%，所述中间锻造和成品锻造的每火次锻造压下量均为30%~50%。
18、本发明通过设置锻造中每火次锻造的镦粗和拔长次数均不低于3次以保证晶粒均匀，消除了合金铸锭在熔炼过程中出现的铸态疏松、气孔等缺陷；通过控制开坯锻造、中间锻造及成品锻造的每火次锻造压下量，既能够保证锻造变形渗透至合金铸锭内部，又能避免过高的锻造压下量导致的材料开裂。
19、上述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述轧制为热轧，热轧温度为850℃~900℃，所述合金轧件的形状为板材、棒材及管材中的一种。
20、本发明通过控制合金轧件的形状，保证后续加工时能够以板材、棒材及管材为基础，便于加工出更多种形态的耐腐蚀的中子吸收材料。
21、上述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的制备方法，其特征在于，步骤四中所述热处理制度为：加热至600℃~800℃后保温0.5h~3h。
22、本发明与现有技术相比具有以下优点：
23、1、本发明通过在zr基体中添加gd及ti元素，制成具备优异中子吸收性能的锆基中子吸收材料，该锆基中子吸收材料在硝酸溶液中能够形成一层致密的氧化膜，避免锆基中子吸收材料与硝酸溶液进一步反应，提高了锆基中子吸收材料的耐酸腐蚀性能；gd与ti元素的加入还能够提高锆基中子吸收材料的力学性能。
24、2、本发明通过分三步对合金铸锭进行开坯锻造、中间锻造及成品锻造，以及控制各锻造工序的温度和每火次锻造压下量，有效提高了锆基中子吸收材料的成分及显微组织的均匀性，使锆基中子吸收材料得力学性能进一步提高。
25、本发明通过对合金轧件进行热处理，消除了锻造后合金锻件中的残余应力，实现变形显微组织的再结晶，提升了合金材料的综合力学性能；通过控制热处理的温度，能够在保证残余应力的有效去除的同时避免合金内部晶粒的过度生长而造成力学性能下降。
26、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
1.一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：ti0.5%~10%，gd 0.5%~10%，余量为zr及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料，其特征在于，所述锆基中子吸收材料由以下质量百分比的成分组成：ti 5%，gd 6%，余量为zr及不可避免的杂质；所述不可避免的杂质由以下质量百分比的成分组成：fe不大于0.1%，si不大于0.1%，c不大于0.02%，n不大于0.03%，h不大于0.01%，o不大于0.3%。
3.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料，其特征在于，所述锆基中子吸收材料的屈服强度为400mpa以上，抗拉强度为510mpa以上，断后伸长率不低于16%，在浓度为6mol/l的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率小于0.006mm/a。
4.一种如权利要求1~3中任一权利要求所述的耐腐蚀的锆基中子吸收材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的方制备法，其特征在于，步骤一中所述真空熔炼采用真空自耗电弧熔炼、非自耗真空电弧炉熔炼、冷炉床熔炼、冷埚熔炼以及电渣熔炼中的一种。
6.根据权利要求4所述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的方制备法，其特征在于，步骤一中所述钆粒的质量为所述目标锆基中子吸收材料中gd元素质量的120%~125%。
7.根据权利要求4所述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的方制备法，其特征在于，步骤二中所述锻造过程为依次进行开坯锻造、中间锻造及成品锻造，所述开坯锻造为将合金铸锭加热至1050℃~1150℃进行1火次锻造，所述中间锻造为将合金铸锭加热至950℃~1050℃进行1~5火次锻造，所述成品锻造为将合金铸锭加热至800℃~950℃进行1~3火次锻造，所述合金锻件的形状为棒材或板材。
8.根据权利要求7所述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的方制备法，其特征在于，所述每火次锻造的镦粗和拔长次数均不低于3次，所述开坯锻造的每火次锻造压下量为30%~40%，所述中间锻造和成品锻造的每火次锻造压下量均为30%~50%。
9.根据权利要求4所述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的方制备法，其特征在于，步骤三中所述轧制为热轧，热轧温度为850℃~900℃，所述合金轧件的形状为板材、棒材及管材中的一种。
10.根据权利要求4所述的一种耐腐蚀的锆基中子吸收材料的方制备法，其特征在于，步骤四中所述热处理制度为：加热至600℃~800℃后保温0.5h~3h。
