一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明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。采用本发明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。

本发明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。

本发明以碳化硼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。

本发明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。

本发明中，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。