一种含钆不锈钢中子吸收复合板及其制备方法技术

本发明专利技术属于中子吸收材料领域，特别涉及一种含钆不锈钢中子吸收复合板及制备方法。其制备方法包括如下步骤:首先将不锈钢材料与钆颗粒按照配比，在真空电弧熔炼炉中进行熔炼，然后随炉冷却得到含Gd不锈钢中子吸收材料作为芯层，所述Gd的添加量不超过芯层总质量的5％；然后分别切割两块与芯层尺寸相同的不锈钢板作为包覆层；再经表面处理后将芯层和包覆层紧密贴合得到3层状复合板坯料；最后经均质处理和热轧加工得到一种含钆不锈钢中子吸收复合板。本发明专利技术克服了中子吸收材料力学性能与中子吸收性能间制约关系，获得了理想的结构/功能一体化中子吸收材料，简化了乏燃料贮运用格架制造过程和成本，同时体积小、重量轻，更容易维护。护。护。

【技术实现步骤摘要】
一种含钆不锈钢中子吸收复合板及其制备方法


[0001]本专利技术属于中子吸收材料
，特别是涉及一种含钆不锈钢中子吸收复合板及其制备方法。

技术介绍

[0002]截至2020年4月，全球30个国家有442个在运核电反应堆，53个国家有220个研究性反应堆在运，平均每年产生11300吨乏燃料。随着能源问题的凸显，中国核电产业也迅速发展，截止2022年中国在建核电机组装机容量位居全球第一，预计在2030年中国核电站每年产生的乏燃料有望突破2820吨，然而，目前我国绝大多数核电站位于东南沿海地区，乏燃料后处理中试厂却位于西北，乏燃料安全存储和运输面临巨大挑战。
[0003]乏燃料运输、离堆贮存、后处理等环节不仅需要大量的乏燃料贮存格架，而且还需要大量的运输容器。为了屏蔽放射性，乏燃料容器有着厚达12～38cm的外壳，由多层材料组成：钢材、混凝土、铅、硼化聚合物等，在这种材质和厚度下，公路运输所用的乏燃料容器的满载重量高达25吨，其中的乏燃料只有0.5～2.2吨，铁路运输所用的容器满载重量150吨，但乏燃料不到20吨，贮运成本非常高。所以，研发先进的中子吸收材料将有助于增加乏燃料贮运容量和降低成本，显著提高乏燃料的处置能力。
[0004]中子吸收材料是乏燃料贮运用的核心材料，目前最常见乏燃料贮运用的金属基中子吸收材料为硼钢、硼铝合金、碳化硼铝基复合材料，这些中子吸收材料均为基于
10
B核素的中子吸收材料，已在乏燃料贮存格架、贮存桶的中子吸收内胆、贮存水池的隔板等方面广泛应用。
[0005]硼在钢中的溶解度非常小，钢中加入高含量B进行合金化时，会在晶界处形成大量的高硬度、低熔点网状硼化物M2B(M是Fe、Cr、Mn)，这些硼化物会导致硼钢在加工过程中很容易出现严重的边缘裂纹以及塑韧性急剧下降。为了使硼钢不仅具有较高中子吸收率而且保持良好力学性能，通常在钢中添加富集的
10
B进行合金，但工艺复杂，价格昂贵且B含量最高只能达到2.25wt.％，该B含量下硼钢并不能完全吸收中子，通常作为结构材料使用。此外，硼钢中硼化物在吸收中子后会产生氦气泡，长期储存会导致材料降解存在安全隐患。
[0006]碳化硼铝基中子吸收材料中B4C含量最高可达到35wt％，然而当B4C含量较高时材料硬度很高，塑性很差，加工及成型困难。此外，碳化硼铝基中子吸收材料机械性能较差通常需要含硼不锈钢做结构材料包覆使用，组装后的容器结构复杂，存储容量变小，生产成本高，使用、清洗、维护不便。
[0007]稀土元素钆的同位素
155,157
Gd中子吸收截面相比于其他元素最大，成本约为
10
B的 1/12～1/5，通常被作为中子吸收元素添加到各种基体中合金，但Gd在金属基体中的溶解度也很小。目前的研究表明，通过熔炼制备含Gd不锈钢中子吸收材料，在奥氏体不锈钢基体中加入Gd会在晶界形成较硬的(Fe,Ni,Cr)3Gd相，这种含Gd相在受力时很难与基体协同变形，含Gd相越多则含Gd不锈钢中子吸收材料的塑性越差。通过粉末冶金制备含Gd 不锈钢中子吸收材料，会在Gd颗粒周围形成含有(Fe,Ni)Gd相反应层，该含Gd相在受到外力作用时很容
易发生不可逆性形变。生成过多的(Fe,Ni)Gd相，反应层的增多和变厚破坏了Gd和316L基体颗粒之间的连接，甚至阻碍了两者之间的结合，含Gd中子吸收材料更容易断裂失效。
[0008]显然，基于
10
B、
155,157
Gd核素的单层中子吸收材料中子吸收性能与力学性能间存在相互制约关系。提高中子吸收材料中子吸收率最有效的方法是提高中子吸收材料中
10
B、
155,157
Gd核素的元素含量，但过多的B、Gd元素会在材料内部生成大量有害的第二相，进而降低材料的强度和塑性，无法使中子吸收材料做到功能/结构一体化。

技术实现思路

[0009]本专利技术目的在于提供一种含钆不锈钢中子吸收复合板及其制备方法，以克服现有基于
10
B、
155,157
Gd核素的中子吸收材料的中子吸收性能与塑性间相互制约关系，具更高的中子吸收元素含量及良好的塑性变形。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案:一种含钆不锈钢中子吸收复合板的制备方法，包括如下步骤:
[0011](1)芯层制备:将不锈钢材料与钆颗粒按照配比，在真空电弧熔炼炉中进行熔炼，然后随炉冷却得到含Gd不锈钢中子吸收材料作为芯层，所述Gd的添加量不超过芯层总质量的5％；
[0012](2)覆层制备:分别切割两块与芯层尺寸相同的不锈钢板作为包覆层；
[0013](3)表面处理:将芯层和包覆层的外表面分别进行打磨，去除表面氧化物层或杂质层，暴露新鲜和清洁的金属表面，然后将金属表面进行抛光，并用丙酮和乙醇清洗干净；
[0014](4)复合组坯:将芯层和包覆层的表面分别紧密贴合在一块，沿着接触面进行四边焊接，得到3层状复合板坯料；
[0015](5)均质处理:将复合板坯料在真空热处理设备中均质化处理，随炉冷却；
[0016](6)热轧加工:对均质化处理后的复合板坯料进行热轧制加工，轧制为板材，轧制后将焊接的边缘部分切割干净，精整校平后得到一种含钆不锈钢中子吸收复合板。
[0017]进一步的，上述不锈钢材料的组成元素及质量百分含量为，Cr:16～20％，Ni:8～14％，Mo:2～3％，Mn≤2％，Si:0.75～1％，N:0.1～0.16％，P:0.035～0.045％，C≤0.1％，S:0.015～0.03％，余为铁和不可避免的杂质。
[0018]进一步的，上述不锈钢材料的组成元素均以铁合金的形式加入。
[0019]进一步的，上述步骤(1)的熔炼工艺具体为，先设置熔化电流为150～250A,熔炼 5～10min；打开电磁搅拌，设置电磁搅拌电流为5～25A，再设置熔化电流为300～450A, 熔炼3～5min；然后设置熔化电流为500～600A,熔炼2～3min，得到合金铸锭；将合金铸锭反复熔炼3～5次，每次熔炼时，电流先快速升高到300～450A熔炼5～10min，再缓慢升高至500～600A熔炼3～5min，然后缓慢下降至0A,随炉冷却10～30min。
[0020]进一步的，上述步骤(5)中的均质化处理温度为900℃～1150℃，保温时间为0.5h～ 5h。
[0021]进一步的，上述步骤(6)中的热轧制加工，轧制次数为2～8次，轧制总变形量在20％～80％，每道次轧制完需回炉保温一定时间，使复合板温度保持在900℃～1150℃。
[0022]进一步的，上述一种含钆不锈钢中子吸收复合板，根据所述的制备方法制备所得。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的优点在于:
[0024](1)复合板受力变形时，板芯潜在颈缩区所受拉伸力被韧性不锈钢包覆层施加的附加压缩应力所抑制，包覆层内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含钆不锈钢中子吸收复合板的制备方法，包括如下步骤:(1)芯层制备:将不锈钢材料与钆颗粒按照配比，在真空电弧熔炼炉中进行熔炼，然后随炉冷却得到含Gd不锈钢中子吸收材料作为芯层，所述Gd的添加量不超过芯层总质量的5％；(2)覆层制备:分别切割两块与芯层尺寸相同的不锈钢板作为包覆层；(3)表面处理:将芯层和包覆层的外表面分别进行打磨，去除表面氧化物层或杂质层，暴露新鲜和清洁的金属表面，然后将金属表面进行抛光，并用丙酮和乙醇清洗干净；(4)复合组坯:将芯层和包覆层的表面分别紧密贴合在一块，沿着接触面进行四边焊接，得到3层状复合板坯料；(5)均质处理:将复合板坯料在真空热处理设备中均质化处理，随炉冷却。(6)热轧加工:对均质化处理后的复合板坯料进行热轧制加工，轧制为板材，轧制后将焊接的边缘部分切割干净，精整校平后得到一种含钆不锈钢中子吸收复合板。2.根据权利要求1所述的一种含钆不锈钢中子吸收复合板的制备方法，其特征在于:所述不锈钢材料的组成元素及质量百分含量为，Cr:16～20％，Ni:8～14％，Mo:2～3％，Mn≤2％，Si:0.75～1％，N:0.1～0.16％，P:0.035～0.045％，C≤0.1％，S:0.015～0.03％，余为铁和不可避免的杂质。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁正栋，杨忠，杨喜岗，张嘉晨，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：