一种环形弥散燃料芯坯成型模具及成型方法技术

本发明专利技术属于燃料组件设计技术，具体公开了一种环形弥散燃料芯坯成型模具及成型方法，模具包括阴模、芯杆、上冲头和下冲头，阴模和芯杆具有间隙，上冲头的下端和下冲头的上端均位于间隙内，且上冲头套在芯杆的上端外部，下冲头套在芯杆的下端外部，上冲头和下冲头之间设有成型垫。方法中包括制备铝粉和U3Si2粉末的混和原料，制备润滑剂，将模具调整安装好之后，进行装料压制形成芯坯，采用本方法制备的芯坯壁厚偏差控制在0.10mm以内，偏差幅度为厚度的1.7％～2％，高度波动范围在1％以内，芯坯尺寸精度和表面质量控制良好。目前使用环形弥散燃料芯坯制备的套管型弥散燃料元件，铀分布均匀性控制在±20％以内，总合格率达到85％以上。

Annular dispersion fuel core blank forming die and forming method

The invention belongs to the technical design of fuel assemblies, particularly discloses an annular dispersion fuel core blank mold and molding method, die comprises a female die and a core rod, the upper punch and the lower punch, die and mandrel with clearance and lower end of the upper punch and the lower punch end are located in the gap, and the upper punch set the upper end of the core rod external, undershoot head in the lower end of the external core rod, a molding mat is arranged between the upper punch and the lower punch. The method includes the preparation of mixed powder and U3Si2 powder as raw material, the preparation of lubricant, after adjustment of the mould is installed, to suppress the formation of core blank filling, prepared by the method of core wall thickness deviation within 0.10mm, the thickness deviation is 1.7% ~ 2%, wave height in the range of 1%. Core blank size accuracy and surface quality control. At present, the sleeve type dispersed fuel element prepared by annular dispersion fuel core is controlled by less than 20%, and the total qualification rate is over 85%.

【技术实现步骤摘要】
一种环形弥散燃料芯坯成型模具及成型方法
本专利技术属于燃料组件设计技术，具体涉及一种环形弥散燃料芯坯成型模具及成型方法。
技术介绍
套管型弥散燃料元件主要部件为环形弥散燃料芯坯，由U3Si2粉末与铝粉压制而成环形，芯坯与材料为T6061Al端塞和包壳组成复合坯，通过共挤压成形为燃料管。芯坯属于陶瓷型弥散燃料，芯坯成型工艺对芯坯的性能具有极大影响，也决定着燃料管的制造质量。套管型弥散燃料元件，作为我国高通量工程试验堆燃料元件，具有辐照稳定性好、导热性能好、抗腐蚀、能承受应力、使用寿命长、燃耗深等优点。套管型弥散燃料元件芯坯的制备工艺主要包括粉末制备工艺、冷压成型工艺和烧结工艺。U3Si2粉末与铝粉密度比约为4.5，因此芯坯成型后U3Si2粉末均匀弥散在铝基体中就有很大的困难，成型模具设计及成型方法就成了要突破的关键技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种环形弥散燃料芯坯成型模具及方法，能够满足环形弥散燃料芯坯的制备要求，辐照稳定性好、导热性能好。本专利技术的技术方案如下：一种环形弥散燃料芯坯成型模具，包括阴模、位于阴模内的芯杆、上冲头和下冲头，所述的阴模和芯杆具有间隙，所述的上冲头的下端位于间隙内，所述的下冲头的上端位于间隙内，且上冲头套在芯杆的上端外部，下冲头套在芯杆的下端外部，所述的上冲头和下冲头之间设有成型垫。在上述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具中：所述的上冲头和下冲头由驱动机构使其在间隙内上下移动。在上述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具中：所述的阴模与设在其外部的工作平台固定。在上述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具中：所述的上冲头上端设有上压盖。在上述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具中：所述的下冲头的下端设有下压盖和底座，下压盖设于下冲头的下端，下压盖与底座固定。在上述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具中：所述的阴模的外壁上设有凸台，在中间加工有通孔，通孔的内壁上端为倒置的锥面，下端为圆柱面，倒置的锥面上加工有台阶。一种环形弥散燃料芯坯成型方法，方法包括如下步骤：步骤1、U3Si2粉末与铝粉混和原料制备1)铝粉准备将FLT1铝粉烘干后过320目筛网，FLT3铝粉烘干后过160目筛网；上述两种筛好的铝粉按照配比为1：3进行混合，形成制备好的铝粉；2)U3Si2粉末准备将U3Si2粉末依次经过240目筛网、320目筛网和500目筛网，落于320目筛网的粉粒和落于500目筛网上的粉粒收集起来，混合之后经过180目筛网之后，形成制备好的U3Si2粉末；3)配料将上述制备好的铝粉和制备的U3Si2粉末混合，使得U3Si2质量分数占总数的72％～76％；4)混料将上述配料装入混料罐进行混料，混料时间60～90min，转数30～40r/min；步骤2、润滑剂制备取40～80g硬脂酸锌，加入容器中，加入500mL四氯化碳用电炉加热80～120°，使之溶解，然后用40～80目筛网将大颗粒过滤出去之后，得到制备好的润滑剂；步骤3、模具安装1)将上述的模具的阴模内壁、芯杆外壁、上冲头的下端面、下冲头的上端面用酒精擦洗干净；2)将阴模安装工作平台上；3)将下冲头固定在下油缸上，测量下冲头和阴模之间的工作间隙，调整下冲头位置位于中心；4)上冲头固定安装在上油缸上，测量上冲头和阴模之间的工作间隙，调整上冲头位置位于中心；步骤4、喷涂润滑剂利用上述制备好的润滑剂，对阴模的内壁表面、上冲头的下端面和下冲头的上端面进行喷涂润滑，吹干，润滑剂喷涂均匀；步骤5、装料然后将下冲头利用下油缸驱动上升至模口，按照给定速度3～5mm/s缓慢下降，进行吸入式装料；步骤6、压制安装成型垫，驱动上冲头向下运动和下冲头向上运动，同时进行双方向压制，运动速度为1～2mm/s，保压时间6～10s；驱动上冲头向上移动，上冲头抬起，利用下冲头把压制好的芯坯向上推出。在上述环形弥散燃料芯坯成型方法中：所述的步骤5，首先将落料漏斗安装在工作平台上，将三爪锥形落料器安装在模具的芯杆上，使粉末周向均匀落料至阴模和芯杆之间的间隙内。本专利技术的显著效果在于：采用本方法制备的芯坯壁厚偏差控制在0.10mm以内，偏差幅度为厚度的1.7％～2％，高度波动范围在1％以内，芯坯尺寸精度和表面质量控制良好。目前使用环形弥散燃料芯坯制备的套管型弥散燃料元件，铀分布均匀性控制在±20％以内，总合格率达到85％以上，达到国际领先水平。通过设计环形芯坯的专用成型模具，制订U3Si2粉末与铝粉混料和压制工艺，保证了U3Si2+Al环形芯坯制备质量，为套管型弥散燃料元件的批量化生产提供有利的技术和装备支持。附图说明图1为环形弥散燃料元件芯坯成型模具示意图；图2为上冲头示意图；图3为阴模示意图；图4为下冲头示意图；图中：1.上冲头；2.下冲头；3.成型垫；4.阴模；5.芯杆；6.上压盖；7.工作平台；8.下压盖；9.底座。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，成型模具包括阴模4、位于阴模4内的芯杆5、上冲头1和下冲头2。阴模4和芯杆5具有间隙，上冲头1的下端位于间隙内，下冲头2的上端位于间隙内，并且上冲头1套在芯杆5的上端外部，下冲头2套在芯杆5的下端外部。上冲头1和下冲头2可利用驱动机构，使其在间隙内上下移动。在上冲头1和下冲头2之间安装成型垫3，成型垫3在压制时用于形成芯坯。阴模4的外壁上加工凸台，阴模4与工作平台7固定安装。在上冲头1上端安装上压盖6。在下冲头2的下端安装下压盖8和底座9，下压盖8安装在下冲头2的下端，通过螺栓将下压盖8与底座9固定安装。如图2所示，上冲头1的上端加工有翻边，上压盖6位于上述的翻边下方，与上冲头1固定安装。如图3所示，阴模4的外壁上加工凸台，在中间加工有通孔，通孔的内壁上端为倒置的锥面，下端为圆柱面，倒置的锥面上加工有台阶。阴模4的凸台安装时卡在工作平台7的内壁上，使得阴模4与工作平台7固定安装。如图4所示，下冲头2为筒形，下端加工有法兰面，法兰面上加工有安装孔，上述下压盖8位于法兰面下方，下冲头2通过在法兰面的安装孔内安装螺栓将下冲头2与下压盖8固定安装。环形弥散燃料芯坯成型方法的步骤如下：步骤1、U3Si2粉末与铝粉混和原料制备，具体为1)铝粉准备将FLT1铝粉烘干后过320目筛网，FLT3铝粉烘干后过160目筛网；上述两种筛好的铝粉按照配比为1：3进行混合，形成制备好的铝粉；2)U3Si2粉末准备将U3Si2粉末依次经过240目筛网、320目筛网和500目筛网，落于320目筛网的粉粒和落于500目筛网上的粉粒收集起来，混合30min，之后经过180目筛网之后，形成制备好的U3Si2粉末；3)配料将上述制备好的铝粉和制备的U3Si2粉末混合，使得U3Si2质量分数占总数的72％～76％，这样能保证铀密度控制在3.9～4.4g/cm3；4)混料将上述配料装入混料罐(本实施例中粉末体积占混料罐体积的1/3)，固定在三位混料机上进行混料，混料时间60～90min，转数30～40r/min；步骤2、润滑剂制备取40～80g硬脂酸锌，加入容器中，加入500mL四氯化碳用电炉加热80～120°，使之溶解，然后用筛网(40～80目)将大颗粒过滤出去之后得到制备好的润滑剂；步骤3、模具安装1)将上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形弥散燃料芯坯成型模具，包括阴模(4)、位于阴模(4)内的芯杆(5)、上冲头(1)和下冲头(2)，其特征在于：所述的阴模(4)和芯杆(5)具有间隙，所述的上冲头(1)的下端位于间隙内，所述的下冲头(2)的上端位于间隙内，且上冲头(1)套在芯杆(5)的上端外部，下冲头(2)套在芯杆(5)的下端外部，所述的上冲头(1)和下冲头(2)之间设有成型垫(3)。

【技术特征摘要】
1.一种环形弥散燃料芯坯成型模具，包括阴模(4)、位于阴模(4)内的芯杆(5)、上冲头(1)和下冲头(2)，其特征在于：所述的阴模(4)和芯杆(5)具有间隙，所述的上冲头(1)的下端位于间隙内，所述的下冲头(2)的上端位于间隙内，且上冲头(1)套在芯杆(5)的上端外部，下冲头(2)套在芯杆(5)的下端外部，所述的上冲头(1)和下冲头(2)之间设有成型垫(3)。2.如权利要求1所述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具，其特征在于：所述的上冲头(1)和下冲头(2)由驱动机构使其在间隙内上下移动。3.如权利要求1或2所述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具，其特征在于：所述的阴模(4)与设在其外部的工作平台(7)固定。4.如权利要求1或2所述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具，其特征在于：所述的上冲头(1)上端设有上压盖(6)。5.如权利要求1或2所述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具，其特征在于：所述的下冲头(2)的下端设有下压盖(8)和底座(9)，下压盖(8)设于下冲头(2)的下端，下压盖(8)与底座(9)固定。6.如权利要求1或2所述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具，其特征在于：所述的阴模(4)的外壁上设有凸台，在中间加工有通孔，通孔的内壁上端为倒置的锥面，下端为圆柱面，倒置的锥面上加工有台阶。7.一种环形弥散燃料芯坯成型方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1、U3Si2粉末与铝粉混和原料制备1)铝粉准备将FLT1铝粉烘干后过320目筛网，FLT3铝粉烘干后过160目筛网；上述两种筛好的铝粉按照配比为1：3进行混合，形成制备好的铝粉；2)U3Si2粉末准备将U3Si2粉末依次经过240目筛网、320...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹本慧，韩志华，聂皓，皇泽中，蔡振方，布仁扎力根，
申请(专利权)人：中核北方核燃料元件有限公司，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15