一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备装置与方法，制备装置包括螺杆挤出模块、物料运输模块、反应模块和控制装置，螺杆挤出模块用于打印前驱体，包括挤出基体材料作为含有孔隙的整体框架，以及挤出防护材料至整体框架的孔隙内；物料运输模块分别与螺杆挤出模块和反应模块对应，用于将螺杆挤出模块打印出的前驱体运输至反应模块；反应模块用于加热前驱体并通入反应气体和惰性保护气体，以使前驱体发生自蔓延反应并烧结成防护构件；控制装置用于控制螺杆挤出模块、物料运输模块和反应模块动作。本发明专利技术结合多材料螺杆挤出与自蔓延反应烧结，可实现中子防护材料复杂构件的高效率、高质量成形。高质量成形。高质量成形。

【技术实现步骤摘要】
一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备装置与方法


[0001]本专利技术属于3D打印
，具体涉及一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备装置与方法。

技术介绍

[0002]原子能工业的日益发展伴随着核泄漏、核辐射等安全隐患。几种核辐射粒子中，中子和伽马射线屏蔽难度较大。尤其是中子作为电中性粒子，不受库仑力作用，穿透性极强，且在碰撞过程中还会产生次级伽马射线，是现代核辐射防护的研究重点。铝合金因其具有较好的可加工性、耐腐蚀性和耐核辐射性而被广泛运用于核防护领域。为了进一步提高构件的核屏蔽能力，有学者在铝合金中添加具有中子吸收能力的硼化物，形成铝基复合防护材料。当以硼化物作为第二相时，B具有较大的热中子吸收截面，对中子具有良好的屏蔽效果，抗腐蚀能力强，抗辐照能力好。铝基复合材料相比于传统铝合金具有更高的强度、耐磨性和中子吸收效果，已经成为了传统铝合金的替代材料，在核电站乏燃料贮存水池、运输容器、重要人防工事的防辐射屏蔽以及生产操作人员的个人防护等方面得到了运用。
[0003]虽然铝基复合材料性能上佳，但在复杂零件的成型工艺上存在着不少难题。如今原位铝基复合材料零件的成型工艺主要有减材制造和增材制造两种方式。由于原位铝基复合材料的可加工性随着塑性降低和硬度的升高而变差，因此原位铝基复合材料复杂零件难以采用传统机加工方式进行制造；在增材制造方面，铝基复合材料零件一般采用SLM激光选区熔化技术进行3D打印，这项技术虽然能够制造出铝基复合材料零件，但能添加的硼化物质量分数较低。容易因为粉末添加量过高或粉末混合不均导致铝合金基体不能很好地熔化成形，致使零件容易出现变形开裂的现象；且其打印效率低、设备和加工成本较高，这严重限制了原位铝基复合材料的应用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的之一是：提供一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备装置，能够制备复杂的多孔结构，提高零件的成型精度，保证零件性能的连续性和稳定性，能量消耗少，打印效率高。
[0005]本专利技术的目的之二是：提供一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备方法。
[0006]本专利技术目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备装置，包括螺杆挤出模块、物料运输模块、反应模块和控制装置，
[0008]螺杆挤出模块用于打印前驱体，包括挤出基体材料作为含有孔隙的整体框架，以及挤出防护材料至整体框架的孔隙内；
[0009]物料运输模块分别与螺杆挤出模块和反应模块对应，用于将螺杆挤出模块打印出的前驱体运输至反应模块；
[0010]反应模块用于加热前驱体并通入反应气体和惰性保护气体，以使前驱体发生自蔓
延反应并烧结成防护构件；
[0011]控制装置用于控制螺杆挤出模块、物料运输模块和反应模块动作。
[0012]进一步，螺杆挤出模块包括套筒、基体材料挤出组件和防护材料挤出组件，基体材料挤出组件和防护材料挤出组件均布置于套筒内且分别设有进料口，套筒底部设有喷嘴，物料运输模块设于喷嘴下方。
[0013]进一步，喷嘴处设有加热块。
[0014]进一步，物料运输模块包括成型平台和传送带组件，成型平台位于螺杆挤出模块下方，用于承载螺杆挤出模块打印出的前驱体；传送带组件与成型平台连接，用于带动成型平台将前驱体运输至反应模块。
[0015]进一步，反应模块包括金属腔体与激光发生器，金属腔体设于成型平台上方且底部设有开口以扣接于成型平台，激光发生器用于向金属腔体内的前驱体发射激光束。
[0016]进一步，成型平台上设有凹槽，金属腔体通过凹槽啮合固定于成型平台。
[0017]一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备方法，采用基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备装置，包括以下步骤，
[0018]控制螺杆挤出模块挤出基体材料作为含有孔隙的整体框架，并将防护材料挤出至整体框架的孔隙内，以打印出前驱体；
[0019]物料运输模块将螺杆挤出模块打印出的前驱体运输至反应模块；
[0020]反应模块加热前驱体并通入反应气体和惰性保护气体，使前驱体发生自蔓延反应并烧结成防护构件。
[0021]进一步，基体材料挤出组件和防护材料挤出组件可以根据需要选择单独工作或同时工作，以挤出单一材料或同时挤出两种材料。
[0022]进一步，前驱体打印时，控制基体材料挤出组件挤出基体材料形成带有孔隙的整体框架，防护材料挤出组件将防护材料挤出至整体框架的孔隙内，在两者之间的过渡区，以基体材料挤出组件挤出基体材料以及防护材料挤出组件同时挤出防护材料的方式打印出材料过渡区域。
[0023]进一步，通过控制基体材料与防护材料比例，以及反应气体与惰性保护气体摩尔分数比例，控制前驱体反应量与反应速率，从而实现防护构件力学性能的调控。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0025]1.零件成型质量佳：影响零件成型质量的因素有三点。一是零件的开裂：在SLM3D打印过程中，过多的硼化物含量会导致铝合金基体不能很好地熔化成形从而导致零件开裂。这限制了硼化物的含量，从而导致零件的核屏蔽能力提升有限。本专利技术可以自由选择单一材料挤出和多材料混合挤出两种挤出模式，实现优势互补：单一材料采用材料分离分时挤出，避免了基体材料和防护材料的混合，从而减少了零件开裂的可能性；多材料混合挤出实现了基体材料与防护材料的顺利过渡，保证了性能的连续性和稳定性。二是零件的变形：本专利技术采用螺杆挤出的供料方式，通过螺杆的转动对材料产生挤压作用，压实材料并将材料运输至喷嘴处挤出，此外螺杆挤出组件配备了加热机构，通过提高运输温度来提高材料的流动性。在螺杆挤出中，材料在经过压实和加热后，其固含量可以得到很大的提升，减少了加热的变形，可以打印出复杂的多孔结构。三是零件的成型精度：本专利技术两螺杆容纳腔共用同一套筒和喷嘴，避免了螺杆挤出组件在分时挤出不同材料时的重复定位，提高了定位
精度，从而提高了零件的成型精度。
[0026]2.能量消耗少：在常用的SLM金属3D打印过程中：需要激光的持续供能进行粉末的烧结，这会造成能量的损耗和成本的提高。本专利技术采用一种基于自蔓延反应的3D打印方法，在打印过程中，只需要短时间开启激光发射器对防护材料前驱体进行点燃操作，通过基体材料、防护材料与反应气氛间发生反应来提供初始能量，然后在前驱体自身快速自动波燃烧的自维持反应下就能够得到所需成份和结构的产物。自蔓延反应除激光点燃外无需额外热源，无需激光持续烧结，相比激光选区烧结成本更低，能量消耗更少，并且设备简单，易于制造。
[0027]3.打印效率高：在常用的SLM金属3D打印过程中需要先对粉末进行长时间混合；在打印过程中逐点成形，成形效率较低。本专利技术采用螺杆挤出的方式实现打印材料的高效挤出成形，并采用自蔓延反应的3D打印方法，打印前无需预热，在打印后一体自蔓延烧结成形，在打印复杂复合材料方面有着很高的效率。
附图说明
[0028]图1为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备装置，其特征在于：包括螺杆挤出模块、物料运输模块、反应模块和控制装置，螺杆挤出模块用于打印前驱体，包括挤出基体材料作为含有孔隙的整体框架，以及挤出防护材料至整体框架的孔隙内；物料运输模块分别与螺杆挤出模块和反应模块对应，用于将螺杆挤出模块打印出的前驱体运输至反应模块；反应模块用于加热前驱体并通入反应气体和惰性保护气体，以使前驱体发生自蔓延反应并烧结成防护构件；控制装置用于控制螺杆挤出模块、物料运输模块和反应模块动作。2.按照权利要求1所述的一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备装置，其特征在于：螺杆挤出模块包括套筒、基体材料挤出组件和防护材料挤出组件，基体材料挤出组件和防护材料挤出组件均布置于套筒内且分别设有进料口，套筒底部设有喷嘴，物料运输模块设于喷嘴下方。3.按照权利要求2所述的一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备装置，其特征在于：喷嘴处设有加热块。4.按照权利要求1所述的一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备装置，其特征在于：物料运输模块包括成型平台和传送带组件，成型平台位于螺杆挤出模块下方，用于承载螺杆挤出模块打印出的前驱体；传送带组件与成型平台连接，用于带动成型平台将前驱体运输至反应模块。5.按照权利要求1所述的一种基于螺杆挤出的中子吸收复合材料制备装置，其特征在于：反应模块包括金属腔体与激光发生器，金属腔体设于成型平台上方且底部设有开口以扣接于成型平台，激光发生器用于向金属腔体内的前驱体发射激光束。6.按照权...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峰，李相龙，宋长辉，詹杰，刘子彬，苏兴东，蒋丹枫，陈推新，刘夏杰，
申请(专利权)人：中广核研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：