[發明專利]一種具有大長徑比通孔的蜂窩狀鎢基金屬陶瓷的加工方法

有效

• 申請號: 202011096735.0
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112259270B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 張臨超;劉瑞;李剛;謝卓明;楊俊峰;謝雪峰;張瑞謙;吳學邦;王先平;方前鋒;劉長松;程幟軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院;中國核動力研究設計院
• 主分類號: G21C21/02
• 分類號: G21C21/02;G21C3/04;G21C3/64
• 代理公司: 合肥市長遠專利代理事務所(普通合伙) 34119
• 代理人: 干桂花

本發明公開了一種具有大長徑比通孔的蜂窩狀鎢基金屬陶瓷的加工方法，涉及核燃料芯塊加工技術領域，包括以下步驟：將鎢金屬粉體或鎢基金屬粉體與核燃料陶瓷顆粒混合，得混合粉體；將鉬金屬棒和混合粉體填充到模具內，冷壓成型成胚體；將胚體在無氧氣氛下進行加壓燒結，制得鎢基金屬陶瓷塊材；將鎢基金屬陶瓷塊材兩端進行切割，使塊體內鉬金屬棒兩端暴露，隨后將其置于腐蝕液中腐蝕去除鉬金屬棒，清洗，烘干，即得。本發明通過將鉬金屬棒陣列置于混合粉體中，再經燒結得到致密塊材，通過選擇性區域腐蝕方法去除鉬金屬棒，從而形成通孔橫截面形狀與大小、通孔長度與取向均可控的貫穿孔。該方法操作簡單且易實現工業化，具有廣闊的發展前景。

技術領域

本發明涉及核燃料芯塊加工技術領域，尤其涉及一種具有大長徑比通孔的蜂窩狀鎢基金屬陶瓷的加工方法。

背景技術

與傳統的化學能推進系統相比，核熱推進系統具有高功率、大比沖、長壽命等優點，是深空活動的理想動力來源，其基本原理是利用核裂變熱能加熱工質至極高溫度，在高溫高壓工質從尾噴口排出過程中產生巨大推力。因此，如何在保證結構穩定及安全性前提下，高效地將核裂變熱能傳導至工質成為核熱推進系統中亟待解決的一個關鍵難題。

在傳統的由球形燃料顆粒構成的固相反應堆中，燃料芯塊通常由金屬相與陶瓷相混合組成。其中燃料主要為鈾或钚基陶瓷顆粒，利用其裂變反應提供熱量；而金屬相不僅起到燃料芯塊結構穩定作用還要保證將裂變熱量有效傳遞給工質。從實際應用角度考慮，在材料選擇上，含有鈾或钚基燃料的鎢基金屬陶瓷材料對裂變產物包容性強、強度較高，同時與空氣、氫氣等工質兼容性好，為發動機長時間高效穩定工作提供了有利條件。因此，鎢基金屬陶瓷燃料芯塊在核動力發動機以及未來的太空核熱、核電推進火箭發展方面具有重要的應用前景。

從提高燃料芯塊功率方面考慮，一方面需要盡可能提高燃料芯塊中燃料陶瓷相比例，保障足夠的熱量產出；另一方面還要盡可能提高熱傳導效率，即有效增大燃料芯塊與工質之間接觸面積。因此，通常需要將燃料芯塊設計成具有大長徑比貫通孔(蜂窩狀)的多孔結構。由于鎢基金屬本身硬度極高，再加上高陶瓷相比例，使得傳統的金屬切割、加工、鉆孔等工藝，如電火花線切割、打孔等，無法有效應用于鎢基金屬陶瓷高精度貫通孔結構加工。

發明內容

基于背景技術存在的技術問題，本發明提出了一種具有大長徑比通孔的蜂窩狀鎢基金屬陶瓷的加工方法，通過將填充在鎢基金屬陶瓷塊材上的鉬金屬棒選擇性腐蝕去除，從而制備出通孔數量、孔徑、孔長度、孔取向及孔分布的均可控的燃料芯塊材料。

本發明提出的一種具有大長徑比通孔的蜂窩狀鎢基金屬陶瓷的加工方法，包括以下步驟：

S1、將鎢金屬粉體或鎢基金屬粉體與核燃料陶瓷顆粒混合，得混合粉體；

S2、將鉬金屬棒和混合粉體填充到模具內，冷壓成型成胚體；

S3、將胚體在無氧氣氛下進行加壓燒結，制得鎢基金屬陶瓷塊材；

S4、將鎢基金屬陶瓷塊材兩端進行切割，使塊體內鉬金屬棒兩端暴露，隨后將其置于腐蝕液中腐蝕去除鉬金屬棒，清洗，烘干，即得。

在本發明中，S2中，可根據鎢基金屬陶瓷材料對孔數目、形狀及分布要求，將鉬金屬棒逐根、逐層或成組的放置于模具中，再將混合粉體填充到模具內。

優選地，所述通孔橫截面形狀與鉬金屬棒的橫截面形狀一致，可為圓形、方形、矩形、橢圓形、半圓形、六角形或三角形；優選地，通孔橫截面的等效直徑為0.2-20mm，通孔長度為10-3000mm；優選地，通孔可為直接貫通孔、彎曲貫通孔或螺旋貫通孔。

優選地，S1中，混合粉體中，核燃料陶瓷顆粒的體積百分占比為10-60％。

優選地，S1中，核燃料陶瓷顆粒為二氧化鈾、氮化鈾、碳化鈾、二氧化钚、氮化钚、碳化钚陶瓷中的一種或一種以上。

優選地，S1中，鎢基金屬粉體中鎢的質量百分含量≥90％。