金屬U具有獨特的核性能，是核能領域最重要的裂變材料。然而金屬U的化學性質極為活潑，與常見的氧氣、水、氫氣等極易發生化學反應，不僅影響其使用性能，還會帶來嚴重的安全隱患。通常采用合金化的方法獲得化學性質較為穩定的U合金，如核工程材料U-Nb合金是金屬U中添加了一定量的Nb元素，U-Nb合金的耐氧化腐蝕性、耐氫化腐蝕性較好，并具有較好的結構穩定性和加工性能，合金化方法極大地提升了金屬U的使用性能。

比熱容是評價材料熱性能的重要參數之一，不僅可以衡量材料的吸熱和放熱能力，還可以間接獲得材料的微觀結構、相變等信息。目前，各類材料基本性質數據庫中大部分都收錄了比熱容數據，因此對U-Nb合金比熱容等熱物理性能參數的研究工作至關重要。PARKER等首次提出了采用閃光法測量材料的熱擴散系數，并結合比較法獲得材料的比熱容。NAKAMURA等采用閃光法+比較法測試了金屬U的比熱容。閃光法屬于瞬態法測試，該法基于一維導熱模型，試樣通常為薄片狀。閃光法的測試原理為：在某一恒定溫度下，激光源發射一束短脈沖激光，均勻地照射在試樣的下表面；試樣下表面吸收激光能量后溫度瞬間上升，并將能量傳遞至試樣上表面；對比待測試樣與標準試樣溫度升高的最大值,結合能量平衡方程，即可得出待測試樣的比熱容。近年來，閃光法憑借其測試范圍大、適用材料廣、溫域寬、周期短、對測試環境要求較低等優點，廣泛用于測試金屬材料的熱物理性能。

Nb元素含量對U-Nb合金的顯微組織和性能影響很大。為研究Nb元素含量對U-Nb合金顯微組織和比熱容的影響規律，研究人員制備出不同成分的淬火態U-Nb合金，討論了U-Nb合金顯微組織的演變過程，研究了U-Nb合金從室溫到750℃比熱容的變化規律。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

在99.998%(體積分數)的高純氬氣保護下，將純度為99.90%(質量分數)的鈮絲和純度為99.99%(質量分數)的金屬U通過電弧熔煉熔化制成合金。為保證試樣成分的均勻性，每個試樣均反復熔煉4次。將熔煉獲得的試樣用石英管真空封裝(見圖1)，然后在1000℃下保溫24h并進行水淬，以保證試樣成分均勻。分別制備Nb元素質量分數為2.0%，3.5%，4.5%，5.7%的4種U-Nb合金，分別編號為U-2Nb、U-3.5Nb、U-4.5Nb和U-5.7Nb。

1.2比熱容測試方法

將U-Nb合金加工成尺寸為12.7mm×3mm(直徑×厚度)的薄片狀試樣，將試樣表面磨削平整，平行誤差控制為不大于0.5%。測試溫度為25~750℃，測試溫度間隔為50℃，升溫速率為10℃/min。測試過程全程采用氬氣保護，氬氣流量為400mL/min。為提高試樣對激光的吸收能力，并確保測試試樣和標準試樣對激光的吸收能力相同，測試之前在試樣上、下表面各噴涂一層石墨噴霧。測試完成后，采用Cape-Lehman模型對測試數據進行擬合，得出測試試樣的溫度升高最大值，并與標準試樣進行對比，進而得出U-Nb合金的比熱容數據。

1.3相變溫度測試

采用差式掃描量熱法(DSC)對U-Nb合金進行相變溫度測試，具體測試過程為：首先把空的氧化鋁坩堝放在測試位和參比位，得出DSC基線，基線的測試溫度為40~800℃，升溫速率為10℃/min，測試過程全程采用氬氣保護；將U-Nb合金試樣加工成尺寸為5mm×2mm(直徑×厚度)的小薄片，置于坩堝測試位，測試出U-Nb合金的DSC曲線，去除基線背景后即可得到U-Nb合金升溫過程中的相變溫度數據。

1.4顯微組織形貌分析

采用激光共聚焦顯微鏡觀察U-Nb合金的顯微組織形貌。

2試驗結果與討論

圖2為4種U-Nb合金的顯微組織形貌。由圖2可知：U-Nb合金的顯微組織致密、均勻，Nb元素可以細化金屬U的晶粒尺寸，有助于提升材料的力學性能；當Nb元素的添加量(質量分數，下同)為2.0%時，材料的顯微組織中可觀察到大量粗針狀馬氏體；當Nb元素的添加量增加至3.5%時，馬氏體變為細針狀；當Nb元素的添加量進一步增加至4.5%時，細針狀馬氏體逐漸消失，形成了等軸晶組織。

圖3為4種U-Nb合金的DSC測試結果。由圖3可知：4種U-Nb合金均在溫度為600~700℃時發生了顯著相變；U-2Nb合金的相變溫度為659.6℃，U-3.5Nb合金的相變溫度為663.1℃，U-4.5Nb合金的相變溫度為657.7℃，U-5.7Nb合金的相變溫度為658.1℃。結合U-Nb合金的平衡相圖可知，U-2Nb、U-3.5Nb、U-4.5Nb合金的相組成轉變為α+γ1，U-5.7Nb合金的相組成轉變為γ1。U-Nb合金的相變過程伴隨著熱量的變化，進而對合金的比熱容造成影響。

圖4為4種U-Nb合金的比熱容測試結果。由圖4可知：隨著Nb元素添加量的增加，U-Nb合金的比熱容逐漸增大；當溫度為室溫至650℃時，U-Nb合金的比熱容隨著溫度上升而持續增大，當溫度超過650℃時，U-Nb合金的比熱容顯著減小。通常在晶體結構未發生變化的情況下，隨著溫度升高，比熱容會逐漸增大，這與室溫至650℃時U-Nb合金的比熱容變化規律相對應，而當溫度超過650℃時，U-Nb合金發生了相變，因此合金的比熱容突然減小。

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