本發(fā)明屬于燃料組件設計技術，具體涉及一種環(huán)形彌散燃料芯坯成型模具及成型方法。

背景技術：

套管型彌散燃料元件主要部件為環(huán)形彌散燃料芯坯，由u3si2粉末與鋁粉壓制而成環(huán)形，芯坯與材料為t6061al端塞和包殼組成復合坯，通過共擠壓成形為燃料管。芯坯屬于陶瓷型彌散燃料，芯坯成型工藝對芯坯的性能具有極大影響，也決定著燃料管的制造質量。

套管型彌散燃料元件，作為我國高通量工程試驗堆燃料元件，具有輻照穩(wěn)定性好、導熱性能好、抗腐蝕、能承受應力、使用壽命長、燃耗深等優(yōu)點。套管型彌散燃料元件芯坯的制備工藝主要包括粉末制備工藝、冷壓成型工藝和燒結工藝。

u3si2粉末與鋁粉密度比約為4.5，因此芯坯成型后u3si2粉末均勻彌散在鋁基體中就有很大的困難，成型模具設計及成型方法就成了要突破的關鍵技術。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種環(huán)形彌散燃料芯坯成型模具及方法，能夠滿足環(huán)形彌散燃料芯坯的制備要求，輻照穩(wěn)定性好、導熱性能好。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種環(huán)形彌散燃料芯坯成型模具，包括陰模、位于陰模內的芯桿、上沖頭和下沖頭，所述的陰模和芯桿具有間隙，所述的上沖頭的下端位于間隙內，所述的下沖頭的上端位于間隙內，且上沖頭套在芯桿的上端外部，下沖頭套在芯 桿的下端外部，所述的上沖頭和下沖頭之間設有成型墊。

在上述的一種環(huán)形彌散燃料芯坯成型模具中：所述的上沖頭和下沖頭由驅動機構使其在間隙內上下移動。

在上述的一種環(huán)形彌散燃料芯坯成型模具中：所述的陰模與設在其外部的工作平臺固定。

在上述的一種環(huán)形彌散燃料芯坯成型模具中：所述的上沖頭上端設有上壓蓋。

在上述的一種環(huán)形彌散燃料芯坯成型模具中：所述的下沖頭的下端設有下壓蓋和底座，下壓蓋設于下沖頭的下端，下壓蓋與底座固定。

在上述的一種環(huán)形彌散燃料芯坯成型模具中：所述的陰模的外壁上設有凸臺，在中間加工有通孔，通孔的內壁上端為倒置的錐面，下端為圓柱面，倒置的錐面上加工有臺階。

一種環(huán)形彌散燃料芯坯成型方法，方法包括如下步驟：

步驟1、u3si2粉末與鋁粉混和原料制備

1)鋁粉準備

將flt1鋁粉烘干后過320目篩網，flt3鋁粉烘干后過160目篩網；上述兩種篩好的鋁粉按照配比為1：3進行混合，形成制備好的鋁粉；

2)u3si2粉末準備

將u3si2粉末依次經過240目篩網、320目篩網和500目篩網，落于320目篩網的粉粒和落于500目篩網上的粉粒收集起來，混合之后經過180目篩網之后，形成制備好的u3si2粉末；

3)配料

將上述制備好的鋁粉和制備的u3si2粉末混合，使得u3si2質量分數占總 數的72％～76％；

4)混料

將上述配料裝入混料罐進行混料，混料時間60～90min，轉數30～40r/min；

步驟2、潤滑劑制備

取40～80g硬脂酸鋅，加入容器中，加入500ml四氯化碳用電爐加熱80～120°，使之溶解，然后用40～80目篩網將大顆粒過濾出去之后，得到制備好的潤滑劑；

步驟3、模具安裝

1)將上述的模具的陰模內壁、芯桿外壁、上沖頭的下端面、下沖頭的上端面用酒精擦洗干凈；

2)將陰模安裝工作平臺上；

3)將下沖頭固定在下油缸上，測量下沖頭和陰模之間的工作間隙，調整下沖頭位置位于中心；

4)上沖頭固定安裝在上油缸上，測量上沖頭和陰模之間的工作間隙，調整上沖頭位置位于中心；

步驟4、噴涂潤滑劑

利用上述制備好的潤滑劑，對陰模的內壁表面、上沖頭的下端面和下沖頭的上端面進行噴涂潤滑，吹干，潤滑劑噴涂均勻；

步驟5、裝料

然后將下沖頭利用下油缸驅動上升至?？?，按照給定速度3～5mm/s緩慢下降，進行吸入式裝料；

步驟6、壓制

安裝成型墊，驅動上沖頭向下運動和下沖頭向上運動，同時進行雙方向壓 制，運動速度為1～2mm/s，保壓時間6～10s；

驅動上沖頭向上移動，上沖頭抬起，利用下沖頭把壓制好的芯坯向上推出。

在上述環(huán)形彌散燃料芯坯成型方法中：所述的步驟5，首先將落料漏斗安裝在工作平臺上，將三爪錐形落料器安裝在模具的芯桿上，使粉末周向均勻落料至陰模和芯桿之間的間隙內。

本發(fā)明的顯著效果在于：

采用本方法制備的芯坯壁厚偏差控制在0.10mm以內，偏差幅度為厚度的1.7％～2％，高度波動范圍在1％以內，芯坯尺寸精度和表面質量控制良好。目前使用環(huán)形彌散燃料芯坯制備的套管型彌散燃料元件，鈾分布均勻性控制在±20％以內，總合格率達到85％以上，達到國際領先水平。

通過設計環(huán)形芯坯的專用成型模具，制訂u3si2粉末與鋁粉混料和壓制工藝，保證了u3si2+al環(huán)形芯坯制備質量，為套管型彌散燃料元件的批量化生產提供有利的技術和裝備支持。

附圖說明

圖1為環(huán)形彌散燃料元件芯坯成型模具示意圖；

圖2為上沖頭示意圖；

圖3為陰模示意圖；

圖4為下沖頭示意圖；

圖中：1.上沖頭；2.下沖頭；3.成型墊；4.陰模；5.芯桿；6.上壓蓋；7.工作平臺；8.下壓蓋；9.底座。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，成型模具包括陰模4、位于陰模4內的芯桿5、上沖頭1和下 沖頭2。陰模4和芯桿5具有間隙，上沖頭1的下端位于間隙內，下沖頭2的上端位于間隙內，并且上沖頭1套在芯桿5的上端外部，下沖頭2套在芯桿5的下端外部。上沖頭1和下沖頭2可利用驅動機構，使其在間隙內上下移動。在上沖頭1和下沖頭2之間安裝成型墊3，成型墊3在壓制時用于形成芯坯。

陰模4的外壁上加工凸臺，陰模4與工作平臺7固定安裝。

在上沖頭1上端安裝上壓蓋6。

在下沖頭2的下端安裝下壓蓋8和底座9，下壓蓋8安裝在下沖頭2的下端，通過螺栓將下壓蓋8與底座9固定安裝。

如圖2所示，上沖頭1的上端加工有翻邊，上壓蓋6位于上述的翻邊下方，與上沖頭1固定安裝。

如圖3所示，陰模4的外壁上加工凸臺，在中間加工有通孔，通孔的內壁上端為倒置的錐面，下端為圓柱面，倒置的錐面上加工有臺階。陰模4的凸臺安裝時卡在工作平臺7的內壁上，使得陰模4與工作平臺7固定安裝。

如圖4所示，下沖頭2為筒形，下端加工有法蘭面，法蘭面上加工有安裝孔，上述下壓蓋8位于法蘭面下方，下沖頭2通過在法蘭面的安裝孔內安裝螺栓將下沖頭2與下壓蓋8固定安裝。

環(huán)形彌散燃料芯坯成型方法的步驟如下：

步驟1、u3si2粉末與鋁粉混和原料制備，具體為

1)鋁粉準備

將flt1鋁粉烘干后過320目篩網，flt3鋁粉烘干后過160目篩網；上述兩種篩好的鋁粉按照配比為1：3進行混合，形成制備好的鋁粉；

2)u3si2粉末準備

將u3si2粉末依次經過240目篩網、320目篩網和500目篩網，落于320 目篩網的粉粒和落于500目篩網上的粉粒收集起來，混合30min，之后經過180目篩網之后，形成制備好的u3si2粉末；

3)配料

將上述制備好的鋁粉和制備的u3si2粉末混合，使得u3si2質量分數占總數的72％～76％，這樣能保證鈾密度控制在3.9～4.4g/cm3；

4)混料

將上述配料裝入混料罐(本實施例中粉末體積占混料罐體積的1/3)，固定在三位混料機上進行混料，混料時間60～90min，轉數30～40r/min；

步驟2、潤滑劑制備

取40～80g硬脂酸鋅，加入容器中，加入500ml四氯化碳用電爐加熱80～120°，使之溶解，然后用篩網(40～80目)將大顆粒過濾出去之后得到制備好的潤滑劑；

步驟3、模具安裝

1)將上述的模具的陰模內壁、芯桿外壁、上沖頭的下端面、下沖頭的上端面用酒精擦洗干凈；

2)將陰模4安裝工作平臺7上；

3)將下沖頭2固定在下油缸上，測量下沖頭2和陰模4之間的工作間隙，調整下沖頭2位置位于中心；

4)上沖頭1固定安裝在上油缸上，測量上沖頭1和陰模4之間的工作間隙，調整上沖頭1位置位于中心；

步驟4、噴涂潤滑劑

將上述制備好的潤滑劑用噴槍對陰模4的內壁表面、上沖頭1的下端面和下沖頭2的上端面進行噴涂潤滑，然后用電吹風吹干，潤滑涂層薄厚一定 要均勻，以目視觀察潤滑劑涂層，涂層顏色均勻，無大顆粒、無遺漏現象為準；

步驟5、裝料

將落料漏斗安裝在工作平臺7上，將三爪錐形落料器安裝在模具的芯桿5上，這樣使粉末能在周向均勻落料至陰模4和芯桿5之間的間隙內；

然后將下沖頭2利用下油缸驅動上升至?？?，即下沖頭2的上端面與陰模4的上表面同一高度，然后按照給定速度(3～5mm/s)緩慢下降，進行吸入式裝料；

步驟6、壓制

將成型墊放置在陰模4外，位于原料之中；

利用油缸驅動上沖頭1向下運動和下沖頭2向上運動，同時進行雙方向壓制，運動速度為1～2mm/s，保壓時間6～10s；

油缸驅動上沖頭1向上移動，上沖頭1抬起，利用下沖頭2把壓制好的芯坯向上推出。