一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法。本发明专利技术方法以碳化硼粉、纳米金属氧化物、铝及其合金粉等为原料，采用粉末冶金方法，通过配料、球磨、成型、封焊、致密化、热轧、退火等过程，制备结构功能一体化中子吸收材料。采用上述方法制备的结构功能一体化中子吸收材料成分均匀性好、致密度高、热导率高、力学性能优异。

Preparation of a Structural-Functional Integrated Neutron Absorbing Material

The invention relates to a preparation method of a structure-function integrated neutron absorption material. The method of the invention takes boron carbide powder, nanometer metal oxide, aluminium and its alloy powder as raw materials, adopts powder metallurgy method, and prepares structural and functional integrated neutron absorption material through batching, ball milling, forming, sealing, densification, hot rolling, annealing and other processes. The structure-function integrated neutron absorption material prepared by the above method has good uniformity, high density, high thermal conductivity and excellent mechanical properties.

【技术实现步骤摘要】
一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法
本专利技术涉及一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法，属辐射防护领域。
技术介绍
随着国家核电产业的迅速发展，核反应堆卸出的乏燃料日益增多，乏燃料具有极强的放射性，并伴有一定的中子发射率。根据数据统计，通常每台百万千瓦级核电机组每年可卸出25t乏燃料，按照我国核电发展的目标，2020年后预计每年将卸下超过千吨乏燃料，其安全贮存和运输已成为不可回避的问题。目前国内外大部分乏燃料贮存方式均采用湿法贮存，即将乏燃料存放于水池的乏燃料贮存格架上，但此贮存方式具有一定的局限性，不能解决乏燃料的中转与运输问题。目前，常用的中子吸收材料包括硼钢、含硼聚乙烯、镉板等。其中，硼钢中含硼量过低，难以满足屏蔽需求；含硼聚乙烯在辐照环境下易脆化，寿命短；镉板有毒、致癌，且吸收中子后会产生二次放射性。铝基碳化硼具有较高热中子俘获横截面积，耐腐蚀性好，热稳定性优良，辐照稳定性良好。为了兼顾乏燃料的贮存与运输问题，国内外先后开展了干式贮存用中子吸收板材的研制工作。其中，B4C/Al金属基复合材料具有良好的机械力学性能、热稳定性、抗腐蚀性能和耐辐照性能，可广泛用于核辐射屏蔽领域。目前该材料已用于乏燃料湿法贮存的格架，不仅能够降低水池建造成本，还可以提高贮存密度，维持次临界状态，确保安全性。但现有报道的B4C/Al金属基复合材料力学性能随温度升高几乎呈直线下降，在干式贮存环境温度（300℃~400℃）下强度较低，不能满足干式贮存及结构及功能一体化的需求。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种乏燃料贮存和运输用结构功能一体化B4C/纳米金属氧化物/Al中子吸收板的粉末冶金制备方法。采用本专利技术制备的结构功能一体化B4C/纳米金属氧化物/Al中子吸收板成分均匀性好、致密度高、热导率高、力学性能尤其是高温力学性能优异。本专利技术的一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法，步骤如下：一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、球磨：按原料成分配比将碳化硼粉、纳米金属氧化物、铝合金粉装入进行球磨混合；步骤二、成型：将混合粉末装入软模后采用冷等静压成型，冷等静压压力为100MPa~270MPa，时间5min~60min；步骤三、封焊：采用金属包套装入冷等静压成型坯；对包套进行焊接封装、检漏。步骤四、致密化：将冷等静压成型坯采用压力加工方式进行致密化处理，加工温度为380℃~700℃；步骤五、轧制：将致密化处理后的材料进一步热轧至最终尺寸。步骤六、退火：将热轧后的材料退火，所述退火的温度为400℃~650℃，时间：20min~240min，退火后得到结构功能一体化中子吸收材料。所述步骤一中原料中，碳化硼、纳米金属氧化物、铝合金的质量百分比如下：B4C：5%~31%；纳米金属氧化物：1%~10%；其它为铝合金。所述纳米金属氧化物为包括Al2O3、ZrO2、TiO2、Y2O3、Gd2O3的一种或多种。所述铝合金为1XXX系铝合金、2XXX系铝合金、3XXX系铝合金、4XXX系铝合金、5XXX系铝合金、6XXX系铝合金或7XXX系铝合金中的一种或多种。所述球磨转速为100r/min～300r/min，球磨时间为2h~25h；所述封焊的金属包套材料为不锈钢、铝合金或08F铁皮中的一种。所述封焊采用氩弧焊，并检漏。所述压力加工方式为热锻、热轧、热等静压、热压或热挤中的一种。所述步骤五的热轧温度为320℃~600℃。所述退火在空气、真空或氩气气氛下进行。本专利技术以碳化硼B4C、纳米金属氧化物、铝合金为原料，采用高能球磨提高混合粉末的分布均匀性；利用压力加工解决因B4C、纳米金属氧化物与铝及其合金湿润性差的问题，提高复合材料的致密度，从而大幅提升中子吸收板的强度；最后，通过退火处理，改善B4C颗粒分布均匀性，减少板材内应力，提高板材的尺寸稳定性和综合力学性能尤其是高温力学性能，实现其结构功能一体化。本专利技术制备的结构功能一体化B4C/纳米金属氧化物/Al中子吸收板成分均匀性好、致密度高、热导率高、力学性能优异，特别适用于乏燃料运输及贮存。附图说明图1B4C/6061Al中子吸收板显微形貌。图2B4C/1100Al中子吸收板显微形貌。图3B4C/7075Al中子吸收板显微形貌。具体实施例本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。实施例1称取31%碳化硼粉、1%Y2O3粉、68%的6061铝粉，将其装入球磨罐中球磨10h，球磨转速为100r/min，后得到混合粉末；将混合粉末装入软模后采用冷等静压成型，冷等静压压力为270MPa，时间5min；将冷压坯装入铝包套后除气焊封，采用热轧方式进行致密化处理，热轧温度为450℃；将致密化后的中子吸收材料在350℃下进一步热轧至最终尺寸；将热轧后的板材在空气气氛下450℃退火60min，获得结构功能一体化中子吸收材料。本实施例制备的中子吸收板B4C颗粒分布均匀，如图1所示，抗拉强度为326MPa。实施例2称取12%碳化硼粉、8%Al2O3粉、80%的6061铝粉，将其装入球磨罐中球磨25h，球磨转速为200r/min，后得到混合粉末；将混合粉末装入软模后采用冷等静压成型，冷等静压压力为120MPa，时间30min；将冷压坯装入铝包套后除气焊封，采用热等静压方式进行致密化处理，热等静压温度为550℃，时间为20min；将致密化后的中子吸收材料在450℃下热轧至最终尺寸；将热轧后的板材在真空气氛下550℃退火20min，获得结构功能一体化中子吸收材料。本实施例制备的中子吸收板B4C颗粒分布均匀，如图2所示，抗拉强度为282MPa。实施例3称取20%碳化硼粉、10%Zr2O3粉、70%的7075铝粉，将其装入球磨罐中球磨2h，球磨转速为300r/min，后得到混合粉末；将混合粉末装入软模后采用冷等静压成型，冷等静压压力为200MPa，时间5min；将冷压坯装入铝包套后除气焊封，采用热锻方式进行致密化处理，热锻温度为600℃；将致密化后的中子吸收材料在600℃下热轧至最终尺寸；将热轧后的板材在氩气气氛下620℃退火200min，获得结构功能一体化中子吸收材料。本实施例制备的中子吸收板B4C颗粒分布较为均匀（如图3所示），抗拉强度可达497MPa。本专利技术中，结构功能一体化中子吸收材料的原料中铝合金也可以采用金属铝。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、球磨：按原料成分配比将碳化硼粉、铝合金粉、纳米金属氧化物装入进行球磨混合；步骤2、成型：将混合粉末装入软模后采用冷等静压成型，冷等静压压力为100MPa ~270MPa，时间5min~60min；步骤3、封焊：采用金属包套装入冷等静压成型坯；对包套进行焊接封装、检漏；步骤4、致密化处理：将冷等静压成型坯采用压力加工方式进行致密化处理，加工温度为380℃~700℃；步骤5、轧制：将致密化处理后的材料进一步热轧至最终尺寸；步骤6、退火：将热轧后的材料退火，退火的温度为400℃~650℃，时间：20min ~240min，退火后得到结构功能一体化中子吸收材料。

【技术特征摘要】
1.一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、球磨：按原料成分配比将碳化硼粉、铝合金粉、纳米金属氧化物装入进行球磨混合；步骤2、成型：将混合粉末装入软模后采用冷等静压成型，冷等静压压力为100MPa~270MPa，时间5min~60min；步骤3、封焊：采用金属包套装入冷等静压成型坯；对包套进行焊接封装、检漏；步骤4、致密化处理：将冷等静压成型坯采用压力加工方式进行致密化处理，加工温度为380℃~700℃；步骤5、轧制：将致密化处理后的材料进一步热轧至最终尺寸；步骤6、退火：将热轧后的材料退火，退火的温度为400℃~650℃，时间：20min~240min，退火后得到结构功能一体化中子吸收材料。2.根据权利要求1所述的一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法，其特征在于：所述原料中中，碳化硼、纳米金属氧化物、铝合金的质量百分比如下：B4C：5%~31%；纳米金属氧化物：1%~10%；剩余为铝或铝合金。3.根据权利要求2所述的一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法，其特征在于，所述纳米金属氧化物为包括Al2O3、ZrO2、TiO2、Y2O3、Gd2O3。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏程，王鑫，庞晓轩，刘彦章，鲜亚疆，王傲松，罗昊，王伟，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，深圳中广核工程设计有限公司，中广核工程有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51