[發(fā)明專利]一種碳化硼-鋁合金復(fù)合材料板材及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410505929.X
• 申請(qǐng)日: 2014-09-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104357768A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-02-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李丘林;束國(guó)剛;劉偉;王傲松;王靚;李學(xué)軍;李棟;郭曉凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)深圳研究生院;中廣核工程有限公司;中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司
• 主分類號(hào): C22F1/04
• 分類號(hào): C22F1/04
• 代理公司: 深圳新創(chuàng)友知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料的軋制成型技術(shù)，尤其涉及一種適用于中子吸收材料的碳化硼-鋁合金復(fù)合材料板材的軋制成型方法。

背景技術(shù)

核電站會(huì)產(chǎn)出大量的高放射性乏燃料，這些乏燃料會(huì)長(zhǎng)時(shí)間釋放強(qiáng)輻射，需要中子吸收材料維持其次臨界狀態(tài)，保障其貯存與運(yùn)輸?shù)陌踩Ｌ烊慌鹬械耐凰?sup>10B含量約為19％，具有極大的中子吸收截面(3837bar)，而碳化硼(B₄C)顆粒是一種熔點(diǎn)高、強(qiáng)度大、耐輻照、耐腐蝕，且密度、熱膨脹系數(shù)接近純鋁的陶瓷相，非常適合作為中子吸收體及增強(qiáng)相添加在鋁或鋁合金中形成中子吸收復(fù)合材料。

早在1990年《Transaction?of?the?American?Nuclear?Society》中“Observations?on?hydrogen?generation?in?boroncarbide/aluminum/water?systems”及Electric?Power?Research?Institute,(EPRI)相關(guān)技術(shù)文檔“EPRI-Handbook?of?Neutron?Absorber?Materials?for?Spent?Nuclear?Fuel?Transportation?and?Storage?Applications”就介紹了名為Boral的乏燃料貯存格架用中子吸收材料，其制備工藝為：將工業(yè)純鋁粉與碳化硼粉進(jìn)行混粉，再置入鋁合金包套中熱軋成型，但該種復(fù)合材料在實(shí)際使用中吸收中子釋放氫氣非常顯著，導(dǎo)致材料嚴(yán)重鼓泡影響其性能和穩(wěn)定性。李剛等人在“B₄C/Al中子吸收板腐蝕過(guò)程中的起泡研究”中指出，這一缺點(diǎn)源于Boral材料內(nèi)部過(guò)大的空隙率，難以得到改進(jìn)。粉末冶金技術(shù)在該種復(fù)合材料的制備中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，美國(guó)Metamic碳化硼/鋁復(fù)合材料將31％重量比的核級(jí)(ASTM?C750?Type?1)碳化硼粉與高純6061鋁合金粉進(jìn)行混粉燒結(jié)，得到組織均勻致密的復(fù)合材料，并在軋制形成板材后通過(guò)了EPRI的各項(xiàng)性能測(cè)試，已經(jīng)在國(guó)際多個(gè)乏燃料濕式貯存池、干式貯存罐、運(yùn)輸車格架中得到使用。

專利200910263588.9也闡述了一種粉末冶金法制備乏燃料貯存用B₄C-Al中子吸收板材的方法，通過(guò)混粉配料、芯坯壓制、軋制成板三個(gè)步驟得到B₄C-Al中子吸收板。

液態(tài)攪拌法(或稱為攪拌鑄造法)是除粉末冶金之外常用的復(fù)合材料制備方法，其主要工序?yàn)椋簩⒒w合金加熱熔融后將增強(qiáng)相投入熔體，經(jīng)高速攪拌使得增強(qiáng)相顆粒均勻分散后鑄造得到。加拿大Alcan公司在專利200380102059.1中即介紹了一整套液態(tài)攪拌法制備B₄C-Al復(fù)合材料的工藝，其產(chǎn)品也逐漸投入實(shí)用。但相比Metamic材料，Alcan產(chǎn)品中的B₄C含量一直沒(méi)有達(dá)到31％質(zhì)量百分比的閾值，可能是其制備工藝參數(shù)選擇不盡合理所制，阻礙了液態(tài)攪拌法這一過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低廉、制備迅速的工藝與粉末冶金法競(jìng)爭(zhēng)的進(jìn)展。

在B₄C-Al復(fù)合材料的液態(tài)攪拌法制備過(guò)程中，B₄C顆粒會(huì)與Al基體合金發(fā)生界面反應(yīng)，在“Chemical?reactivity?of?aluminium?with?boron?carbide”對(duì)該界面反應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的論述，其各種反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)顯著增加熔體的粘性，影響液態(tài)攪拌法制備復(fù)合材料的碳化硼含量提高甚至成功率。Alcan公司及陳曉光等人通過(guò)在合金熔體中添加鈦(Ti)及在澆注階段再添加鎂(Mg)來(lái)影響、控制上述界面反應(yīng)，達(dá)到保證熔體流動(dòng)性的目的，然而這種方法的反應(yīng)產(chǎn)物也影響該復(fù)合材料的后續(xù)軋制變形行為，但Metamic、Alcan公司都沒(méi)有針對(duì)高碳化硼質(zhì)量百分比復(fù)合材料的軋制工藝給出指導(dǎo)。

清華大學(xué)深圳研究生院及中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司的束國(guó)剛、李丘林等人在專利申請(qǐng)201410042799.0中提出了一種連續(xù)鑄軋制備B₄C-Al中子吸收材料板材的方法，通過(guò)超聲震動(dòng)、外加磁場(chǎng)幫助液態(tài)攪拌法均勻分散B₄C顆粒，并經(jīng)過(guò)軋輥一次鑄軋成型，成功制備了碳化硼31％質(zhì)量百分比的中子吸收板材，其組織均勻結(jié)構(gòu)致密，能夠滿足乏燃料濕法貯存的要求。雖此種連續(xù)鑄軋方法能夠制備鋁金屬基的高比例(質(zhì)量百分比31％)碳化硼復(fù)合材料，但該方法依賴于專用的連續(xù)鑄軋一體機(jī)，所述連續(xù)鑄軋一體機(jī)生產(chǎn)成本較高。

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