CN102280156B - 一种铝基碳化硼中子吸收板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝基碳化硼中子吸收板的制备方法，是针对核装置保护的要求，采用铝粉、碳化硼粉、硅粉、钛粉、硼酸晶体混合，进行粉末冶金，制成矩形板，然后在压力机上、在加热状态下、在模具内进行热挤压成型，制得致密的铝基碳化硼中子吸收复合板，中子吸收复合板为灰白色，中子吸收率≥90％，碳化硼分布均匀，颗粒与基体结合紧密，基体显微硬度达185.8HV，颗粒显微硬度达2022.2HV，表面耐腐蚀电位为-0.45V，抗弯曲角度为≥10°，抗拉强度≥200MPa，断后伸长率≥1.8％，断后收缩率≥1.0％，此制备方法工艺先进合理，参数准确翔实，是较为理想的制备铝基碳化硼中子吸收板的方法。

Description

一种铝基碳化硼中子吸收板的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝基碳化硼中子吸收板的制备方法，属有色金属粉末冶金及板材成型、增强方法的技术领域。

背景技术

在核装置中，为了防止核辐射，常采用中子材料及技术进行屏蔽保护。

目前常采用的中子吸收材料是铅硼聚乙烯、含硼聚丙烯，其优点是屏蔽结构简单，屏蔽体重量轻、体积小，但铅硼聚乙烯易老化，寿命短，限制了其应用；镉板也可用做中子吸收材料，但镉有毒，致癌；硼钢也可用做中子吸收材料，但硼钢含硼量太低，很难满足屏蔽需要。

碳化硼B₄C具有较高的中子吸收能力，其热中子俘获截面高，俘获能谱宽，不产生放射性同位素，二次射线能量低，而且耐腐蚀，热稳定性好，常在核电站外墙用碳化硼烧结的马赛克装贴，起吸收中子的作用，但碳化硼韧性差，脆性大，难以制成结构功能一体化的中子吸收材料。

金属铝具有较好的韧性、材质轻、易延展、耐腐蚀、可塑性强，用金属铝或铝合金做载体，用碳化硼作中子吸收体，制成金属基中子吸收材料，既能提高材料韧性，又可保证具有中子吸收性能，但含B₄C较高的Al基复合材料的制备和板材成型技术还在探讨研究中。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的状况，以铝粉、碳化硼粉制备中子吸收材料，先进行粉末冶金，制成坯料，然后在热压机上，在模具内热压成矩形板材，即为铝基碳化硼中子吸收板材，以便用作核装置的中子吸收板，以大幅度提高屏蔽中子辐射的能力。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：铝粉、碳化硼粉、钛粉、硅粉、硼酸晶体、石墨纸、细砂，其量值如下：以克为计量单位

制备方法如下：

(1)精选化学物质材料

对制备所需的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：

(2)氧化处理铝粉、碳化硼粉

①将铝粉置于不锈钢容器内，然后置于电加热炉中，加热至450℃±5℃，进行预氧化，时间60min；

②将碳化硼粉置于不锈钢容器内，然后置于电加热炉中，进行预氧化，氧化温度400℃±5℃，时间90min；

(3)球磨、过筛

将铝粉、碳化硼粉、钛粉、硅粉、硼酸晶体分别用球磨机球磨、过筛，球磨时间120min，筛网目数650目，球磨后成细粉，细粉粒径≤0.02mm；

(4)混合细粉

将铝粉、碳化硼粉、钛粉、硅粉、硼酸晶体，按65∶30∶2∶2∶1的比例置于混料机中，搅拌混合均匀，成混合细粉；

(5)粉末冶金、制坯

①粉末冶金制坯是在不锈钢模具内、电阻加热状态、压力机上进行的，不锈钢模具为开合式矩形体，先在腔内加贴石墨纸，然后将混合细粉加入模具中；

②将模具及混合细粉置于压力机上，加压260T预压成型，然后放入电阻加热炉中，加热至500℃±5℃，恒温保温30min，然后用260T压力继续进行挤压，继续升温至600℃±5℃，恒温、保温30min，并用260T压力继续进行挤压；

③关闭电阻加热炉，使其随炉自然冷却至200℃；

④开启不锈钢模具，取出粉末冶金坯料；

⑤细砂中冷却，将粉末冶金坯料埋入细砂中，冷却至25℃，成复合板坯料；

(6)热挤压成板

①粉末冶金后的矩形坯料的挤压，是在开合式不锈钢模具、在加热压力机上进行的；

②将模具安装于压力机底座上，置于电加热器上，将下模板垂直置于模具底部，在下模板上均匀铺一层石墨纸，然后将粉末冶金后的复合板坯料置于石墨纸上部，然后在复合板坯料上部均匀铺一层石墨纸，然后将上模板压在石墨纸上，然后将压力机的压力板压在上模板上；

③开启压力机底座上的电阻加热器，加热温度550℃～600℃；

④开启压力机电机，对复合板坯料进行挤压，压力机压力260T，复合板在压力下进行塑性变形，并向模具内四周延伸，成矩形板状；

⑤当复合板坯料与模具内腔尺寸吻合后，停止加压，使其在加热状态下，恒温静置30min；

⑥关闭电阻加热器，使其自然冷却至25℃；

⑦升起压力机，打开模具开合架，取下模板、复合板，中子吸收复合板成型；

⑧将中子复合板切割、修整周边，成：180×500×5mm铝基碳化硼中子吸收复合板产品；

(7)中温回火处理

对制备的中子吸收复合板置于热处理回火炉中进行中温回火处理，回火温度450℃±5℃，时间120min；

回火后，关闭回火炉，使其自然冷却到25℃；

(8)检测、分析、表征

对制备的铝基碳化硼中子吸收板的形貌、色泽、金相组织结构、显微硬度、耐腐蚀性，中子吸收率进行检测、分析、表征；

用中子注量率仪进行中子吸收率检测分析；

用电子显微镜和扫描电镜对复合板横断面、纵断面进行金相组织微观组织形貌分析；

用显微硬度仪对复合板进行显微硬度分析；

用万能试验机进行抗弯、抗拉分析；

用电化学腐蚀试验仪进行表面腐蚀性能分析；

结论：Al基B₄C中子吸收板为灰白色矩形板，中子吸收率≥90％；碳化硼分布均匀，颗粒与基体界面结合紧密，基体显微硬度为185.8HV，颗粒显微硬度为2022.2HV，表面耐腐蚀电位为-0.45V，抗弯曲角度为≥10°，抗拉强度≥200MPa，断后伸长率≥1.8％，断后收缩率≥1.0％；

(9)储存

对制备的铝基碳化硼中子吸收板用软质材料包装，储存于干燥、洁净环境，要防水、防潮、防晒、防火、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃±2℃，相对湿度≤10％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对核装置保护的要求，制备铝基碳化硼中子吸收板，采用铝粉、碳化硼粉、钛粉、硅粉、硼酸晶体混合，先进行粉末冶金制成矩形板坯料，然后在压力机上，在加热状态下、在模具内进行热挤压，制成致密度高的铝基碳化硼中子吸收板，中子吸收板为灰白色，中子吸收率≥90％，碳化硼分布均匀，颗粒与基体结合紧密，基体显微硬度达185.8HV，颗粒显微硬度达2022.2HV，表面耐腐蚀电位为-0.45V，抗弯曲角度为≥10°，抗拉强度≥200MPa，断后伸长率≥1.8％，断后收缩率≥1.0％。

此制备方法工艺先进合理，参数准确翔实，是十分理想的制备铝基碳化硼中子吸收板的方法。

附图说明

图1为铝基碳化硼中子吸收板粉末冶金状态图

图2为铝基碳化硼中子吸收板热压成型状态图

图3为铝基碳化硼中子吸收板横切面金相组织结构图

图4为铝基碳化硼中子吸收板微观组织扫描电镜图

图中所示，附图标记清单如下：

1.压力机底座，2.加热器，3.冶金粉末模具，4.开合架，5.上模板，6.下模板，7石墨纸，8.石墨纸，9.冶金粉末，10.上压板，11.压力杆，12.压力电机，13.调整手柄，14.垫板，15.中子吸收板成型模具，16.上模板，17.下模板，18.开合架，19.中子复合板坯料。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为铝基碳化硼中子吸收板粉末冶金状态图，制备使用的粉末冶金材料的量值是按预先设置的范围确定的，以克为计量单位。

制备是在压力机上，在开合式不锈钢模具中完成的，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。

在压力机底座1上部为加热器2，在加热器2上部为垫板14，在垫板14上部置放冶金粉末模具3，模具3由开合架4进行开合组装，冶金粉末模具3内底部为下模板6，在下模板6上部铺设一层石墨纸8，在石墨纸8上部均匀置放冶金粉末9，在冶金粉末9上部置放石墨纸7，在石墨纸7上部置放上模板5，在上模板5上部由压力机的上压板10压盖，上压板10上部联接压力杆11，压力杆11上部联接压力电机12，在压力杆10右侧即设有调整手柄13，加热器2可调控冶金粉末9的加热温度，调整手柄13调整模具及压力机各部位置，压力电机12的压力按需要对冶金粉末9进行施压，加热施压后冶金粉末9成矩形中子吸收板坯料。

粉末冶金模具用不锈钢材料制作，利于脱模。

图2所示，为铝基碳化硼中子吸收板热压成型状态图，热压成型是在压力机上、在开合式成型模具中进行的，各部位置连接关系要正确，按序操作。

在压力机底座1上部为加热器2，在加热器2上部为垫板14，在垫板14上部放置中子吸收板成型模具15，中子吸收板成型模具15为开合式，由开合架18进行开合组装，中子吸收板成型模具15内底部为下模板17，下模板17上部放置石墨纸8，石墨纸8上部放置中子吸收板坯料19，在中子吸收板坯料19上部置放石墨纸7，在石墨纸7上部置放上模板16，上模板16上部为上压板10，上压板10上部联接压力杆11，压力杆11上部联接压力电机12，在压力杆11右侧即设有调整手柄13，加热器2可调控中子吸收板坯料19的加热温度，调整手柄13按需要调整上压板10、压力杆11的位置，压力机12按需要对中子吸收板坯料19进行施压，在加热、旋压过程中，中子吸收板坯料19进行塑性变形，成中子吸收板板材，即中子吸收板。

中子吸收板成型模具用工具钢类的铬钼钢制作，以增强模具的耐高温、强度和硬度。

图3所示，为中子吸收板横切面金相组织结构图，图中可见：在铝基体内有白色、黑色颗粒，白色颗粒为硅或钛，黑色颗粒为碳化硼，碳化硼颗粒在铝基体中分布均匀，无明显气孔、缺陷。

图4所示，为中子吸收板断面微观组织扫描电镜图，图中可见：在复合体内有白色、黑色颗粒，白色颗粒为硅或钛，黑色颗粒为碳化硼，灰色基体为铝基，碳化硼在铝基中分布均匀，碳化硼颗粒表面有灰白色界面反应产物，在基体铝、Ti及B₄C间存在界面反应，反应方程式如下：B₄C+3Ti-2TiB₂+TiC，界面反应产物使Al与B₄C间的润湿性得到很好的改善。

Claims (3)

1.一种铝基碳化硼中子吸收板的制备方法，其特征在于：本发明使用的化学物质材料为：铝合金粉，碳化硼粉、钛粉、硅粉、硼酸晶体、石墨纸、细砂，其量值如下：以克为计量单位

铝粉：Al                                    975g±1g

碳化硼粉：B₄C                               450g±1g

钛粉：Ti                                     30g±1g

硅粉：Si                                     30g±1g

硼酸晶体：B₂O·3H₂O                         15g±1g

石墨纸：C                                200mm×300mm

细砂：                                     10000g±100g

制备方法如下：

 （1）精选化学物质材料

对制备所需化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：

铝粉：固态粉体                               99.5%

碳化硼粉：固态粉体                           99.5%

钛粉：固态粉体                               99.5%

硅粉：固态晶体                               99.5%

硼酸晶体：固态粉体                           99.5%

石墨纸：固态固体                             99.5%

细砂：固态固体                            粒径≤1.0mm

（2）氧化处理铝粉、碳化硼粉

①将铝粉置于不锈钢容器内，然后置于电加热炉中，加热至450℃±5℃，进行预氧化，时间60min，成氧化铝粉；

②将碳化硼粉置于不锈钢容器内，然后置于电加热炉中，进行预氧化，氧化温度400℃±5℃，时间90min，成氧化碳化硼粉；

（3）球磨、过筛

将氧化铝粉、氧化碳化硼粉、钛粉、硅粉、硼酸晶体分别磨时间120min，筛网目数650目，球磨后成细粉，细粉粒径≤ 0.02mm；

 （4）混合细粉

将氧化铝粉、氧化碳化硼粉、钛粉、硅粉、硼酸晶体细粉，按65：30：2：2：1比例置于混料机中，搅拌均匀混合，成混合细粉；

 （5）粉末冶金、制坯 

①粉末冶金、制坯是在不锈钢模具内电阻加热压力机上进行的，不锈钢模具为开合式矩形体，先在腔内加贴石墨纸，然后将混合细粉加入模具中；

②将模具及混合细粉置于压力机上，加压260T预压成型，然后放入电阻加热炉中，加热至500℃±5℃；恒温保温30min，然后用260T进行挤压，继续升温至600℃±5℃，恒温、保温30min，并用260T压力继续进行挤压；

③关闭电阻加热炉，使其随炉自然冷却至200℃；

④开启不锈钢模具，取出粉末冶金坯料；

⑤细砂中冷却，将粉末冶金坯料埋入细砂中，冷却至25℃，成复合板坯料；

（6）热挤压成板 

①粉末冶金后的矩形坯料的挤压，是在开合式不锈钢模具、在加热压力机上进行的；

②将模具安装于压力机底座上，置于电加热器上，将下模板垂直置于模具底部，在下模板上均匀铺一层石墨纸，然后将粉末冶金后的复合板坯料置于石墨粉上部，然后在复合板上部均匀铺一层石墨纸，然后将上模板压在石墨纸上，然后将压力机的压力板压在上模板上；

③开启压力机底座上的电阻加热器，加热温度550℃—600℃；

④开启压力机电机，对复合板坯料进行挤压，压力机压力260 T，复合板在压力下进行塑性变形，并向模具内四周延伸，成矩形板状；

⑤当复合板坯料与模具内腔尺寸吻合后，停止加压，使其在加热状态下，恒温静置30min；

⑥关闭电阻加热器，使其自然冷却至25℃； 

⑦升起压力机，打开模具开合架，取下模板、复合板，中子吸收复合板成型；

⑧将中子复合板切割、修整周边，成：180×500×5mm铝基碳化硼中子吸收复合板产品；

（7）中温回火处理

对制备的中子吸收复合板置于热处理回火炉中进行中温回火处理，回火温度 450℃±5℃，时间120min；

回火后，关闭回火炉，使其自然冷却至25℃；

（8）检测、分析、表征 

对制备的铝基碳化硼中子吸收板的形貌、色泽、金相组织结构、显微硬度、耐腐蚀性，中子吸收率进行检测、分析、表征：

用中子注量率仪进行中子吸收率检测分析；

用电子显微镜和扫描电镜对复合板横断面、纵断面进行金相组织微观组织形貌分析；

用显微硬度仪对复合板进行显微硬度分析；

用电化学腐蚀试验仪进行表面腐蚀性能分析；

用万能试验机进行抗弯、抗拉分析；

结论：Al基B₄C中子吸收板为灰白色矩形板，中子吸收率≥90%；碳化硼分布均匀，颗粒与基体界面结合紧密，基体显微硬度为185.8 HV，颗粒显微硬度为2022.2 HV，表面耐腐蚀电位为－0.45V，抗弯曲角度为≥10°，抗拉强度≥200MPa，断后伸长率≥1.8%，断后收缩率≥1.0%；

（9）储存

对制备的铝基碳化硼中子吸收板用软质材料包装，储存于干燥、洁净环境，要防水、防潮、防晒、防火、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃±2℃；相对湿度≤10%。

2.根据权利要求1所述的一种铝基碳化硼中子吸收板的制备方法，其特征于：在压力机底座（1）上部为加热器（2），在加热器（2）上部为垫板（14），在垫板（14）上部置放冶金粉末模具（3），模具（3）由开合架（4）进行开合组装，冶金粉末模具（3）内底部为下模板（6），在下模板（6）上部铺设一层石墨纸（8），在石墨纸（8）上部均匀置放冶金粉末（9），在冶金粉末（9）上部置放石墨纸（7），在石墨纸（7）上部置放上模板（5），在上模板（5）上部由压力机的上压板（10）压盖，上压板（10）上部联接压力杆（11），压力杆（11）上部联接压力电机（12），在压力杆（10）右侧即设有调整手柄（13），加热器（2）可调控冶金粉末（9）的加热温度，调整手柄（13）调整模具及压力机各部位置，压力电机（12）的压力按需要对冶金粉末（9）进行施压，加热施压后冶金粉末（9）成矩形中子吸收板坯料。

3.根据权利要求1所述的一种铝基碳化硼中子吸收板的制备方法，其特征在于：在压力机底座（1）上部为加热器（2），在加热器（2）上部为垫板（14），在垫板（14）上部放置中子吸收板成型模具（15），中子吸收板成型模具（15）为开合式，由开合架（18）进行开合组装，中子吸收板成型模具（15）内底部为下模板（17），下模板（17）上部放置石墨纸（8），石墨纸（8）上部放置中子吸收板坯料（19），在中子吸收板坯料（19）上部置放石墨纸（7），在石墨纸（7）上部置放上模板（16），上模板（16）上部为上压板（10），上压板（10）上部联接压力杆（11），压力杆（11）上部联接压力电机（12），在压力杆（11）右侧即设有调整手柄（13），加热器（2）可调控中子吸收板坯料（19）的加热温度，调整手柄（13）按需要调整上压板（10）、压力杆（11）的位置，压力机（12）按需要对中子吸收板坯料（19）进行施压，在加热、旋压过程中，中子吸收板坯料（19）进行塑性变形，成中子吸收板板材，即中子吸收板。

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