本發(fā)明屬于鋁基中子吸收材料制備領(lǐng)域，具體提供一種高溫結(jié)構(gòu)功能一體化B4C/Al中子吸收材料的制備方法。該材料可用于制造乏燃料干式貯存、運(yùn)輸容器的格架。
背景技術(shù)：
核電站使用過的核燃料一般稱為乏燃料，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)百萬千瓦核電機(jī)組每年約卸出20噸乏燃料。隨著全球核電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在建和在運(yùn)核電機(jī)組逐漸增多，由此帶來的一個(gè)重要問題就是從堆芯抽出的高放射性乏燃料的存放或處理問題變得日益突出。
因乏燃料后處理難度大、成本高，目前大多數(shù)國家都采取暫時(shí)貯存的方式，分為濕法貯存和干式貯存。無論哪種貯存方式，都需要高效中子吸收材料來維持乏燃料次臨界。在乏燃料貯存設(shè)備中，中子吸收材料主要采用硼鋼或常規(guī)B4C/Al復(fù)合材料。硼鋼因?yàn)楹附佣却蟆鹘y(tǒng)B4C/Al因高溫性能差等原因，它們?cè)诜θ剂腺A存格架中使用時(shí)，一般由一層薄不銹鋼板固定在厚不銹鋼骨架外壁形成一種三明治結(jié)構(gòu)。因不銹鋼導(dǎo)熱性差，尤其是這種三明治結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性更差，在乏燃料干式貯存應(yīng)用中對(duì)乏燃料的散熱影響較大。
乏燃料干式貯存容器內(nèi)部通過空氣、二氧化碳或惰性氣體等冷卻乏燃料。容器內(nèi)部貯存格架長期處于高溫環(huán)境下，內(nèi)部溫度最高可達(dá)375℃，容器設(shè)計(jì)壽命一般為40-100年。因此，乏燃料貯存格架材料除要求具有良好的中子吸收能力外，還應(yīng)具有良好的熱導(dǎo)率和高溫力學(xué)性能。
傳統(tǒng)B4C/Al中子吸收材料是由微米級(jí)碳化硼陶瓷顆粒與常規(guī)鋁或鋁合金基體組成的一種復(fù)合材料，主要由粉末冶金法和鑄造法制備，除了具有良好的中子吸收能力外，還具有室溫力學(xué)性能高、熱導(dǎo)率高、密度小等優(yōu)點(diǎn)。與鋁基體合金相似，傳統(tǒng)B4C/Al中子吸收材料在高溫下力學(xué)性能下降明顯，超過200℃使用時(shí)其鋁基體中強(qiáng)化析出相會(huì)快速長大從而失去高溫強(qiáng)化效果，因此很難作為高溫結(jié)構(gòu)材料來使用。納米陶瓷顆粒高溫下性能穩(wěn)定，向傳統(tǒng)B4C/Al中子吸收材料中添加納米陶瓷顆粒來替代基體合金的析出強(qiáng)化相，可望獲得具有良好高溫力學(xué)性能的B4C/Al中子吸收材料。
對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，鮮有專利或者論文有關(guān)于高溫結(jié)構(gòu)功能一體化B4C/Al中子吸收材料的報(bào)道。申請(qǐng)?zhí)枮?01510339908.X的專利“含鈧鋯的碳化硼顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法”及論文“Precipitation strengthening of Al–B4C metal matrix composites alloyed with Sc and Zr”(Materials Science and Engineering A，2012；532:462-470)采用含鈧和鋯的鋁基體制備高溫B4C/Al中子吸收材料。這種添加鈧、鋯的鋁合金基體雖然較傳統(tǒng)鋁合金基體具有更好的高溫力學(xué)性能，但含鈧、鋯的析出相在長期高溫服役環(huán)境下仍會(huì)緩慢長大從而失去高溫強(qiáng)化效果，因此很難適用于乏燃料干式貯存的長期高溫環(huán)境。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種高溫結(jié)構(gòu)功能一體化B4C/Al中子吸收材料的制備方法，解決現(xiàn)有傳統(tǒng)B4C/Al中子吸收材料因高溫力學(xué)性能差，在使用時(shí)只能包覆在不銹鋼骨架內(nèi)使用的問題，適用于制造乏燃料干式貯存、運(yùn)輸容器格架等領(lǐng)域。
本發(fā)明的技術(shù)方案是：
一種高溫結(jié)構(gòu)功能一體化B4C/Al中子吸收材料的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：
(1)采用高能球磨方法將鋁粉球磨成片狀鋁粉，從而增大鋁粉的表面積；
(2)將片狀鋁粉放入空氣爐中預(yù)氧化，在鋁粉表面形成致密納米氧化鋁膜(10～20nm)；
(3)將預(yù)氧化片狀鋁粉與微米級(jí)B4C顆粒混合均勻；
(4)將混合均勻的粉末壓制成型；
(5)將壓制成型的壓坯無壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)；
(6)將燒結(jié)好的坯錠進(jìn)行鍛造、擠壓或軋制，獲得高溫結(jié)構(gòu)功能一體化B4C/Al中子吸收型材或板材。
采用該方法可將一定量的納米氧化鋁引入到純鋁基體中，再通過添加微米級(jí)B4C顆粒，可以制備出微米B4C與納米Al2O3雙相增強(qiáng)的鋁基中子吸收材料，該材料兼具有中子吸收性能及優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。
其中：步驟(1)中，所用鋁粉可選用氣霧化球形鋁粉(3～50微米)，球磨過程中添加硬脂酸、石蠟或油酸類過程控制劑，添加量為鋁粉重量的0.5～4.5％，通過添加劑的含量及球磨工藝控制片狀鋁粉的尺寸；球磨過程中球料比為10:1～30:1，轉(zhuǎn)速為50～400轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間4～40h。球磨后片狀鋁粉的厚度為100～2000nm。
步驟(2)中，片狀鋁粉在300～450℃空氣爐中預(yù)氧化3-10小時(shí)，保證納米氧化鋁在片狀鋁粉中的含量為8～14wt％。鋁粉預(yù)氧化過程同時(shí)去除球磨過程中添加的過程控制劑(氣化排出)。
步驟(3)中，微米級(jí)B4C顆粒通過機(jī)械混合或球磨混合均勻，且其含量為5-15wt％，顆粒尺寸為1～30微米。
步驟(4)中，混合粉末冷壓成型，壓力為50～300MPa，保壓時(shí)間1～10min。
步驟(5)中，壓坯在500～660℃下保溫2-20小時(shí)，燒結(jié)壓力為0-150MPa。
步驟(6)中，擠壓、鍛造、軋制溫度為400～600℃；擠壓比為(4～50)：1；軋制、鍛造過程中每道次壓變形量為5～40％，每道次間退火溫度為400～600℃，保溫0.5～6小時(shí)。
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明的高溫結(jié)構(gòu)功能一體化B4C/Al中子吸收材料與傳統(tǒng)耐B4C/Al中子吸收材料相比，高溫下具有優(yōu)異的力學(xué)性能，如在375℃下屈服強(qiáng)度可達(dá)85～120MPa，比傳統(tǒng)B4C/Al中子吸收材料強(qiáng)度高40～70MPa。而且本發(fā)明高溫結(jié)構(gòu)功能一體化B4C/Al中子吸收材料的使用狀態(tài)為退火態(tài)，在長時(shí)間高溫使用前后力學(xué)性能變化極小，用于制備乏燃料貯存格架時(shí)，可保證其使用壽命。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
選用平均粒徑10微米的球形鋁粉，裝入球磨機(jī)內(nèi)，球料比20:1，硬脂酸添加量為鋁粉的1.5wt％，球磨工藝：300轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間4小時(shí)。球磨后的片狀鋁粉在400℃空氣爐中加熱3小時(shí)進(jìn)行預(yù)氧化。預(yù)氧化后的片狀鋁粉與10wt％含量、平均粒徑15微米的B4C顆粒機(jī)械混合，混合時(shí)間4小時(shí)?；旌戏勰┰?00MPa下冷壓成型，再放入600℃空氣爐中燒結(jié)10小時(shí)，燒結(jié)坯錠在450℃下熱擠壓成帶板，擠壓比16:1。擠壓后的帶板經(jīng)450℃退火5小時(shí)獲得最終型材。
采用該實(shí)施例制造的高溫結(jié)構(gòu)功能一體化B4C/Al中子吸收材料室溫下力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度220MPa，抗拉強(qiáng)度260MPa。375℃下屈服強(qiáng)度90MPa，抗拉強(qiáng)度105MPa。
對(duì)比例1
選用平均粒徑為10微米的球形鋁粉和15微米的10wt％含量B4C顆粒機(jī)械混合4小時(shí)后在200MPa下冷壓成型，再放入600℃空氣爐中燒結(jié)10小時(shí)，燒結(jié)坯錠在450℃下熱擠壓成帶板，擠壓比16:1。擠壓后的帶板經(jīng)450℃退火5小時(shí)獲得最終型材。采用該實(shí)施例制造的常規(guī)B4C/Al中子吸收材料室溫下力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度50MPa，抗拉強(qiáng)度56MPa。375℃下屈服強(qiáng)度30MPa，抗拉強(qiáng)度32MPa。
實(shí)施例2
選用平均粒徑20微米的球形鋁粉，裝入球磨機(jī)內(nèi)，球料比30:1，硬脂酸添加量為鋁粉的1.0wt％，球磨工藝：350轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間5小時(shí)。球磨后的片狀鋁粉在400℃空氣爐中加熱3小時(shí)進(jìn)行預(yù)氧化。預(yù)氧化后的片狀鋁粉與15wt％含量、平均粒徑7微米的B4C顆粒機(jī)械混合，混合時(shí)間4小時(shí)?；旌戏勰┰?50MPa下冷壓成型，再放入600℃真空熱壓爐中在30MPa下燒結(jié)2小時(shí)，燒結(jié)坯錠在420℃下熱擠壓成帶板，擠壓比16:1。擠壓后的帶板經(jīng)450℃退火5小時(shí)獲得最終型材。
采用該實(shí)施例制造的高溫結(jié)構(gòu)功能一體化B4C/Al中子吸收材料室溫下力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度240MPa，抗拉強(qiáng)度280MPa。375℃下屈服強(qiáng)度105MPa，抗拉強(qiáng)度125MPa。
對(duì)比例2
選用平均粒徑為44微米的球形6061鋁合金粉和7微米的15wt％含量B4C顆粒機(jī)械混合后在200MPa下冷壓成型，再放入600℃真空熱壓爐中在30MPa下燒結(jié)2小時(shí)，燒結(jié)坯錠在450℃下熱擠壓成帶板，擠壓比16:1。擠壓后的帶板經(jīng)T6處理后獲得最終型材。采用該實(shí)施例制造的常規(guī)B4C/6061Al中子吸收材料室溫下力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度280MPa，抗拉強(qiáng)度320MPa。375℃下屈服強(qiáng)度45MPa，抗拉強(qiáng)度49MPa。
上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。