C-Al中子吸收板及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大尺寸B4C-Al中子吸收板的制備方法，包括1）將碳化硼粉、鋁粉和硅粉破碎并混合均勻，得到粒徑為3.5-63μm的混合粉料；2）將所述混合粉料裝入包套在200-350℃抽真空后密封，將密封的所述包套進(jìn)行熱等靜壓處理，壓力為80-150MPa，溫度為400-600℃，時間為20min；3）去除坯料外側(cè)的包套，在450-600℃進(jìn)行多次軋制，每次變形量為10-20%，得到所需厚度的板材；4）對所述板材進(jìn)行加工即可。本發(fā)明還公開了上述方法所得到的B4C-Al中子吸收板的尺寸。本發(fā)明所制備的B4C-Al中子吸收板適用于核反應(yīng)堆、核電站等核工業(yè)領(lǐng)域。
【專利說明】大尺寸B4C-AI中子吸收板及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種大尺寸B4C-Al中子吸收板的制備方法，以及由該方法制得的大尺 寸中子吸收板，屬于中子吸收材料【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 核反應(yīng)堆和核設(shè)施需要存儲和使用高放射性燃料、乏燃料，燃料內(nèi)的放射性中子 極易對周邊動植物和人類造成傷害，因此需要在保護(hù)周邊生態(tài)環(huán)境的前提下合理開發(fā)和使 用核能。普遍的保護(hù)措施是在核反應(yīng)堆及核設(shè)施周圍設(shè)置能夠捕獲中子的中子吸收材料， 以避免中子向外輻射。常用的中子吸收材料有鉛硼聚乙烯、含硼聚丙烯、鎘板、硼鋼、碳化硼 和鋁基碳化硼等，其中鋁基碳化硼（B 4C-Al)復(fù)合了碳化硼的高中子吸收率和鋁輕質(zhì)、耐腐 蝕和易延展的特性，成為目前使用最多的中子吸收材料。
[0003] -般將鋁基碳化硼制作成中子吸收板使用，由于核反應(yīng)堆和核設(shè)施占地空間大， 實際應(yīng)用對大尺寸中子吸收板的需求十分迫切?，F(xiàn)有大尺寸鋁基碳化硼中子吸收板如中國 專利文獻(xiàn)CN102280156A，采用鋁粉、碳化硼粉、硅粉、鈦粉、硼酸晶體混合壓制成坯料，然后 在壓力機(jī)上加熱狀態(tài)的模具內(nèi)熱擠壓成型，再中溫回火處理得到鋁基碳化硼中子吸收板。 但是，上述大尺寸中子吸收板中，作為中子吸收體的碳化硼分布不均勻，部分中子透過板體 輻射到外部，使得中子無法被板體有效吸收。
[0004] 為了使碳化硼在中子吸收板內(nèi)分布均勻，中國專利文獻(xiàn)CN103045916A公開了一 種復(fù)合屏蔽材料的制備方法，將W或W化合物、B 4C和鋁或鋁合金混合進(jìn)行球磨，得到混合粉 末，將混合粉末裝入軟模后冷等靜壓成型，壓力為l〇〇-270MPa，將冷壓坯在氬氣氣氛中再進(jìn) 行熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為680-1200°C，壓力為30-150MPa，脫模后得到復(fù)合屏蔽板材。
[0005] 上述技術(shù)的冷等靜壓和熱等靜壓工藝，使坯料成型在各向相同的壓力下進(jìn)行，同 時燒結(jié)致密化也在各向相同壓力下進(jìn)行，提高了碳化硼在板內(nèi)分布的均勻性；但是上述熱 等靜壓燒結(jié)處理的溫度高、能耗大，坯料內(nèi)部易產(chǎn)生較多缺陷，尤其是當(dāng)溫度超過l〇〇〇°C 時，坯料中有Al4C3產(chǎn)物形成，此產(chǎn)物嚴(yán)重?fù)p害了材料的力學(xué)性能，致使材料在后續(xù)加工及 使用中出現(xiàn)更多的內(nèi)部缺陷。
[0006] 而且上述技術(shù)因受限于模具的體積，所制作的中子吸收板幅面較小，無法滿足核 工業(yè)對大尺寸中子吸收板的需求?，F(xiàn)有技術(shù)是將燒結(jié)后的材料進(jìn)一步熱軋成大尺寸板材， 如中國專利文獻(xiàn)CN102676858A公開的一種高密度碳化硼鋁金屬基復(fù)合材料的制備方法， 按照配比將碳化硼粉與鋁合金粉混合均勻，在壓制成芯坯，將芯坯安裝在鋁合金框架中進(jìn) 行燒結(jié)，之后取出燒結(jié)后的芯坯進(jìn)行多道熱軋，得到設(shè)計尺寸的板材。但是，燒結(jié)后芯坯的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)已被固定下來，后續(xù)的熱軋工藝會對這種固定的結(jié)構(gòu)造成破壞的作用，繼而導(dǎo)致 材料內(nèi)部缺陷的快速增加；而且，燒結(jié)后的芯坯在熱軋過程中邊緣容易開裂變形，導(dǎo)致中子 吸收板的缺陷進(jìn)一步增加。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)制作鋁基碳化硼中子吸收板時需 經(jīng)熱等靜壓高溫?zé)Y(jié)，其能耗大，坯料內(nèi)產(chǎn)生較多缺陷，而且基于制作大尺寸板材的目的， 現(xiàn)有技術(shù)會對燒結(jié)的坯體進(jìn)行軋制，使得材料內(nèi)缺陷進(jìn)一步增加；進(jìn)而提出一種材料缺陷 較少的大尺寸鋁基碳化硼中子吸收板的制備方法。
[0008] 本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)是對燒結(jié)后的坯料直接熱軋，乳后 板材的邊緣容易開裂變形；進(jìn)而提出一種避免板材邊緣開裂變形的大尺寸鋁基碳化硼中子 吸收板的制備方法。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種大尺寸B4C-Al中子吸收板的制備方法， 包括如下步驟，
[0010] (1)將碳化硼粉、鋁粉和硅粉破碎并混合均勻，得到費氏平均粒度為3. 5-63 μ m的 混合粉料；
[0011] (2)將所述混合粉料裝入包套在200-3501：抽真空后密封，將密封的所述包套進(jìn)行 熱等靜壓處理，壓力為80-150MPa，溫度為400-600°C，時間為20min ;
[0012] (3)去除坯料外側(cè)的包套，在450-600°C進(jìn)行多次軋制，每次變形量為10-20%，得 到所需厚度的板材；
[0013] (4)對所述板材進(jìn)行加工即可。
[0014] 所述包套為鋁包套；步驟（3)中，只去除所述坯料受軋面外側(cè)的包套，保留其余面 外側(cè)的包套。
[0015] 抽真空后的真空度為2X l(T3Pa。
[0016] 所述碳化硼粉、鋁粉和硅粉的質(zhì)量比為（25?50) :(49. 4?74. 4) :0· 6。
[0017] 破碎方法為球磨，球料質(zhì)量比為3:1，球磨時間為6-10h。
[0018] 所述碳化硼粉的費氏平均粒度為0.5-50 μ m，所述鋁粉的費氏平均粒度為 5-70 μ m，所述硅粉的費氏平均粒度為10 μ m。
[0019] 所述碳化硼粉、鋁粉和硅粉的純度均大于99. 5wt%。
[0020] 所述混合粉料裝入包套的相對裝填密度大于50v%。
[0021] 以4°C水的密度為參考，熱等靜壓處理后坯料的相對密度為99-99. 3%。
[0022] 所述制備方法得到的大尺寸B4C-Al中子吸收板，所述B4C-Al中子吸收板的尺寸為 5000 X 200 X (3-5) mm。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)方案相比具有以下有益效果：
[0024] (1)本發(fā)明所述大尺寸B4C-Al中子吸收板的制備方法，將碳化硼、鋁和硅的粉體破 碎、混合均勻成3.5-63^的細(xì)小粉末后，裝入包套抽真空，并置于400-600°C下熱等靜壓壓 制，壓制后的坯料直接在450-600°C進(jìn)行多次軋制，每次變形量控制在10-20% ;該工藝的熱 等靜壓和軋制溫度均未達(dá)到固定燒結(jié)溫度，不會導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生，細(xì)小粉末經(jīng)中溫?zé)岬褥o 壓處理后，所形成板材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并未完全固定，在后續(xù)溫度相近的中溫軋制中，乳制過程 緩慢進(jìn)行，相近的溫度使板材內(nèi)不易產(chǎn)生新的缺陷，而且熱軋過程中板材持續(xù)受到緩慢擠 壓作用、內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸熟化固定，最終形成中子吸收板材，省卻了燒結(jié)工藝，避免了熱等靜 壓高溫?zé)Y(jié)處理使得板材內(nèi)出現(xiàn)較多的裂紋、褶皺等缺陷，而且克服了現(xiàn)有技術(shù)對燒結(jié)后 的坯體進(jìn)行軋制，使得材料內(nèi)缺陷進(jìn)一步增加的問題。
[0025] (2)本發(fā)明所述大尺寸B4C-Al中子吸收板的制備方法，所述包套為鋁包套，熱等靜 壓處理后，坯料面和覆于其上的包套間結(jié)合緊密，步驟（3)中，只去除所述坯料受軋面外側(cè) 的包套，保留其余面外側(cè)的包套。這樣能夠有效保護(hù)坯料邊緣，使坯料在軋制過程中不出現(xiàn) 邊裂的情況。避免了現(xiàn)有技術(shù)對燒結(jié)后的坯料直接熱軋，乳后板材的邊緣容易開裂變形的 問題。
[0026] (3)本發(fā)明所述大尺寸B4C-Al中子吸收板的制備方法，所述碳化硼粉、鋁粉和硅粉 的質(zhì)量比為（25?50) : (49. 4-74. 4) :0. 6。本發(fā)明使用相對較多的鋁粉，經(jīng)抽真空去除材 料顆粒間的氣泡后，鋁原子密集分布在碳化硼分子間并與碳化硼分子緊密結(jié)合，中溫?zé)岬?靜壓處理進(jìn)一步使鋁原子與碳化硼間達(dá)到無隙結(jié)合，減少了缺陷的產(chǎn)生，后續(xù)同溫度下的 緩慢熱軋?zhí)幚?，鋁發(fā)揮易延展的特性，使得板材內(nèi)結(jié)構(gòu)得以熟化固定，最終形成缺陷少、碳 化硼分布均勻的大尺寸中子吸收板。
[0027] (4)本發(fā)明所述制備方法得到的大尺寸B4C-Al中子吸收板尺寸為5000X200X (3-5) mm，滿足核工業(yè)對于大尺寸中子吸收板的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被理解，本發(fā)明結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的 內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的說明；
[0029] 圖1為本發(fā)明實施例1所述大尺寸B4C-Al中子吸收板1的金相圖；

【具體實施方式】
[0030] 實施例1
[0031] (1)將費氏平均粒度為30 μ m的碳化硼粉、費氏平均粒度為30 μ m的鋁粉和費氏 平均粒度為?ο μ m的硅粉按25 :74. 4 :0. 6的質(zhì)量比取粉10Kg，置于三維混料機(jī)中，球料比 為3 :1，混料6小時得到費氏平均粒度為20 μ m的混合粉料；所使用碳化硼粉、鋁粉和硅粉 的純度均為99. 8% ;
[0032] (2)將所述混合粉料裝入包套，保證相對裝填密度為80v%，對包套在200°C抽真空 至2 X KT3Pa后密封，將密封的包套進(jìn)行熱等靜壓處理，壓力為80MPa，溫度為600°C，時間為 20min，熱等靜壓后的坯料采用排水法測試的相對密度為99% (以4°C水的密度為參考）；
[0033] (3)去除坯料外側(cè)的包套，在600°C進(jìn)行多道次軋制，每次變形量為10%，直到軋制 得3mm厚板材；
[0034] (4)對板材退火后矯直，對矯直后板材進(jìn)行車加工，得到5000X200X3mm的大尺 寸B 4C-Al中子吸收板1，其金相結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0035] 實施例2
[0036] (1)將費氏平均粒度為50 μ m的碳化硼粉、費氏平均粒度為70 μ m的鋁粉和費氏平 均粒度為?ο μ m的硅粉按50 :49. 4 :0. 6的質(zhì)量比取粉10Kg，置于三維混料機(jī)中，球料比為 3 :1，混料10小時得到費氏平均粒度40 μ m的混合粉料；所使用碳化硼粉、鋁粉和硅粉純度 均為99. 9% ;
[0037] (2)將所述混合粉料裝入包套，保證相對裝填密度為70v%，對包套在350°C抽真空 至I X KT3Pa后密封，將密封的包套進(jìn)行熱等靜壓處理，壓力為150MPa，溫度為400°C，時間 為20min，熱等靜壓后坯料采用排水法測試的相對密度為99. 1% (以4°C水的密度為參考）；
[0038] (3)去除坯料外側(cè)的包套，在450°C進(jìn)行多道次軋制，每次變形量為20%，直到軋制 得4mm厚板材；
[0039] (4)對板材退火后矯直，對矯直后板材進(jìn)行車加工，得到5000X200X4mm的大尺 + B4C-Al中子吸收板2。
[0040] 實施例3
[0041] (1)將費氏平均粒度為0. 5 μ m的碳化硼粉、費氏平均粒度為5 μ m的鋁粉和費氏平 均粒度為?ο μ m的硅粉按29. 4 :70 :0. 6的質(zhì)量比取粉10Kg，置于三維混料機(jī)中，球料比為 3 :1，混料7小時得到費氏平均粒度3. 5 μ m的混合粉料；所使用碳化硼粉、鋁粉和硅粉純度 均為99. 7% ;
[0042] (2)將所述混合粉料裝入包套，保證相對裝填密度為80v%，對包套在300°C抽真空 至2X KT3Pa后密封，將密封的包套進(jìn)行熱等靜壓處理，壓力為lOOMPa，溫度為500°C，時間 為20min，熱等靜壓后坯料采用排水法測試的相對密度為99. 2% (以4°C水的密度為參考）；
[0043] (3)去除坯料外側(cè)的包套，在500°C進(jìn)行多道次軋制，每次變形量為15%，直到軋制 得5mm厚板材；
[0044] (4)對板材退火后矯直，對矯直后板材進(jìn)行車加工，得到5000X200X5mm的大尺 + B4C-Al中子吸收板3。
[0045] 實施例4
[0046] (1)將費氏平均粒度為0. 5 μ m的碳化硼粉、費氏平均粒度為5 μ m的鋁粉和費氏 平均粒度為10 μ m的硅粉按30 :69. 4 :0. 6的質(zhì)量比取粉10Kg，置于三維混料機(jī)中，球料比 為3 :1，混料10小時得到費氏平均粒度4μ m的混合粉料；所使用碳化硼粉、鋁粉和硅粉純 度均為99. 7% ;
[0047] (2)將所述混合粉料裝入包套，保證相對裝填密度為80v%，對包套在250°C抽真空 至2X KT3Pa后密封，將密封的包套進(jìn)行熱等靜壓處理，壓力為lOOMPa，溫度為470°C，時間 為20min，熱等靜壓后坯料采用排水法測試的相對密度為99. 2% (以4°C水的密度為參考）；
[0048] (3)去除坯料受軋面外側(cè)的包套，保留其余面外側(cè)的包套，在480°C進(jìn)行多道次軋 制，每次變形量為20%，直到軋制得3mm厚板材；
[0049] (4)對板材退火后矯直，對矯直后板材進(jìn)行車加工，得到5000X200X3mm的大尺 + B4C-Al中子吸收板4。
[0050] 實施例5
[0051] (1)將費氏平均粒度為50 μ m的碳化硼粉、費氏平均粒度為70 μ m的鋁粉和費氏 平均粒度為?ο μ m的硅粉按40 :59. 4 :0. 6的質(zhì)量比取粉10Kg，置于三維混料機(jī)中，球料比 為3 :1，混料8小時得到費氏平均粒度63 μ m的混合粉料；所使用碳化硼粉、鋁粉和硅粉純 度均為99. 7% ;
[0052] (2)將所述混合粉料裝入包套，保證相對裝填密度為80v%，對包套在300°C抽真空 至2X KT3Pa后密封，將密封的包套進(jìn)行熱等靜壓處理，壓力為150MPa，溫度為400°C，時間 為20min，熱等靜壓后坯料采用排水法測試的相對密度為99. 3% (以4°C水的密度為參考）；
[0053] (3)去除坯料受軋面外側(cè)的包套，保留其余面外側(cè)的包套，在400°C進(jìn)行多道次軋 制，每次變形量為20%，直到軋制得3mm厚板材；
[0054] (4)對板材退火后矯直，對矯直后板材進(jìn)行車加工，得到5000X200X3mm的大尺 + B4C-Al中子吸收板5。
[0055] 對比例1
[0056] (1)將碳化硼粉、鋁粉和硅粉按25 :74. 4 :0. 6的質(zhì)量比取粉IOKg,置于三維混 料機(jī)中，球料比為3 :1，混料5小時得到混合粉料；所使用碳化硼粉、鋁粉和硅粉純度均為 99. 8% ；
[0057] (2)將所述混合粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為220MPa，溫度為 25°C、時間25min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓氣體為氬氣，熱等靜壓 溫度為900°C，熱等靜壓壓力為120MPa，熱等靜壓保溫時間為2h ;將熱等靜壓后的材料脫模 后即可制備出B4C-Al中子吸收板A。
[0058] 對比例2
[0059] (1)將碳化硼粉、鋁粉和硅粉按25 :74. 4 :0. 6的質(zhì)量比取粉10Kg，置于三維混 料機(jī)中，球料比為3 :1，混料5小時得到混合粉料；所使用碳化硼粉、鋁粉和硅粉純度均為 99. 8% ；
[0060] (2)將所述混合粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為220MPa，溫度為 25°C、時間25min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓氣體為氬氣，熱等靜壓 溫度為900°C，熱等靜壓壓力為120MPa，熱等靜壓保溫時間為2h ;
[0061] (3)去除坯料外側(cè)的包套，在530°C進(jìn)行多道次軋制，每次變形量為30%，直到軋制 得3mm厚板材；
[0062] (4)對板材退火后矯直，對矯直后板材進(jìn)行車加工，得到5000X200X3mm的大尺 + B4C-Al中子吸收板B。
[0063] 對比例3
[0064] (1)將碳化硼粉、鋁粉和硅粉按25 :74. 4 :0. 6的質(zhì)量比取粉10Kg，置于三維混 料機(jī)中，球料比為3 :1，混料5小時得到混合粉料；所使用碳化硼粉、鋁粉和硅粉純度均為 99. 8% ；
[0065] (2)將所述混合粉料裝入裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓氣體為氬氣，熱 等靜壓溫度為900°C，熱等靜壓壓力為150MPa，熱等靜壓保溫時間為3h ;
[0066] (3)去除坯料外側(cè)的包套，在530°C進(jìn)行多道次軋制，每次變形量為
[0067] 30%，直到軋制得3mm厚板材；
[0068] (4)對板材退火后矯直，對矯直后板材進(jìn)行車加工，得到5000X200X3mm的大尺 + B4C-Al中子吸收板C。
[0069] 測試?yán)?br> [0070] (1)使用超聲探傷法和滲透探傷法檢測B4C-Al中子吸收板1-5和A-C的缺陷情況， 見下表。
[0071]

【權(quán)利要求】
1. 一種大尺寸b4c-ai中子吸收板的制備方法，包括如下步驟， (1) 將碳化硼粉、鋁粉和硅粉破碎并混合均勻，得到費氏平均粒度為3. 5-63 y m的混合 粉料； (2) 將所述混合粉料裝入包套在200-350°C抽真空后密封，將密封的所述包套進(jìn)行熱等 靜壓處理，壓力為80-150MPa，溫度為400-600°C，時間為20min ; (3) 去除坯料外側(cè)的包套，在450-600°C進(jìn)行多次軋制，每次變形量為10-20%，得到所 需厚度的板材； (4) 對所述板材進(jìn)行加工即可。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述包套為鋁包套；步驟（3)中，只去除所 述坯料受軋面外側(cè)的包套，保留其余面外側(cè)的包套。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，抽真空后的真空度為2 X l(T3Pa。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述碳化硼粉、鋁粉和硅粉的質(zhì)量 比為（25?50) : (49. 4?74. 4) :0? 6。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，破碎方法為球磨，球料質(zhì)量比為 3:1，球磨時間為6_10h。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述碳化硼粉的費氏平均粒度為 0. 5-50 y m，所述鋁粉的費氏平均粒度為5-70 y m，所述硅粉的費氏平均粒度為10 y m。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，所述碳化硼粉、鋁粉和硅粉的純度 均大于99. 5wt%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，所述混合粉料裝入包套的相對裝 填密度大于50v%。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，以4°C水的密度為參考，熱等靜壓 處理后坯料的相對密度為99-99. 3%。
10. 權(quán)利要求1-9任一所述制備方法得到的大尺寸B4C-A1中子吸收板，其特征在于，所 述比(：-41中子吸收板的尺寸為5000X200X (3-5)_。
【文檔編號】C22C29/06GK104372191SQ201410116856
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】劉國輝, 王鐵軍, 劉桂榮, 陳錦, 王廣達(dá), 李強 申請人:安泰科技股份有限公司