CN102676858A - 高密度碳化硼铝金属基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高密度碳化硼铝金属基复合材料的制备方法，该方法是按照预定的化学配比将B₄C粉末与Al合金粉末混合，使B₄C颗粒均匀弥散在Al合金基体中，再压制成密度为70~95%TD的芯坯，形成均质坯料的芯坯，然后将芯坯安装在铝合金框架中进行烧结，再将烧结后的芯坯进行热轧，当芯坯的密度达到70~95%TD时，进行90°换向轧制，然后冷轧矫直。与现有技术相比，本发明的制备方法工艺过程简单，B₄C粉末均匀弥散在铝基中形成的高密度复合材料性能更优良，其中B₄C含量高达65wt%，可用做乏燃料运输和贮存***的临界安全控制的中子吸收材料，实现乏燃料的密集贮存。

Description

高密度碳化硼铝金属基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于一种复合材料的制备工艺，具体涉及坯料轧制法制备高密度金属基复合材料B₄C-Al中子吸收板的方法。

背景技术

碳化硼铝金属基复合材料板是由碳化硼均匀弥散在铝合金基体中复合而成，其中碳化硼为弥散强化相，铝合金为基体相。这种材料含有中子吸收性能良好的硼元素，可用作中子吸收材料。其显著优点是耐腐蚀、耐辐照、硼含量高、使用寿命长，作为乏燃料中子吸收材料，可提高乏燃料贮运的经济性和安全性。

碳化硼含量可高达65wt%，根据设计需要，碳化硼含量的可调节范围很宽，使乏燃料运输和贮存***的设计更灵活，可以实现更乏燃料密集贮存。

目前，这种材料的制备方法主要有冶金压力加工法和粉末冶金压力加工法。粉末冶金压力加工法能大大改善碳化硼的分布均匀性。

如申请号为200910263588.9的中国专利就是一种粉末冶金压力加工法，它描述了“一种乏燃料贮运用B₄C-Al中子吸收板的制备方法”，该方法是将压坯装在铝合金盒子中进行轧制，在轧制过程中坯料和铝合金盒子冶金结合，形成B₄C均匀弥散在铝合金基体中且包有铝合金包壳的一种三明治结构的复合材料，即该方法只能制备B₄C均匀弥散在Al合金基体中外包铝合金包壳的夹心饼干式的材料，而不能制备没有铝合金包壳、性能更好的高密度碳化硼铝金属基复合材料。

发明内容

本发明的目的在于:提供一种将B₄C粉末均匀弥散在Al基体中形成高密度碳化硼铝金属基复合材料的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种高密度碳化硼铝金属基复合材料的制备方法，步骤如下：

步骤一混料：将质量分数10～65wt%、粒度20～40μm的B₄C粉末与质量分数35～90wt%、粒度10～20μm的Al合金粉末在混料机中均匀混合；

步骤二 芯坯压制：将混合均匀的B₄C铝合金粉末,压制成密度为70～85%TD的芯坯；

步骤三 芯坯烧结：将压制后的芯坯装入铝合金框架置于真空烧结炉进行真空烧结，保持真空烧结炉内的真空度在10^-2～10^-4Pa，烧结温度为400℃～540℃，烧结时间为2～18小时；

步骤四 热轧成板：取出烧结后的芯坯在400℃~530℃温度下进行多道热轧，芯坯轧制每道次变形量为20%～40%，当芯坯密度达到80~95%TD时，进行90°换向轧制，得到预定厚度尺寸的板材；

步骤五 冷轧矫直；将热轧后的板材进行冷轧，经退火处理后矫直，得到密度为99.00~99.20%TD的平整板材。

本发明的效果在于：与现有技术相比，本发明的制备方法工艺过程简单，B₄C粉末均匀弥散在铝基中形成的高密度复合材料性能更优良，其中B₄C含量高达65wt%，可用做乏燃料运输和贮存***的临界安全控制的中子吸收材料，实现乏燃料的密集贮存。

具体实施方式

本发明的方法是将压坯放在铝合金框子中进行轧制，没有铝合金的外壳，最终形成的是B₄C粉末均匀弥散在铝合金基体中形成的均质复合材料。

本发明的制备方法是按照预定比例将B₄C粉末与Al合金粉末在混料机中均匀混合；将混合均匀的B₄C铝合金粉末压制成具有一定致密度的芯坯；再将压制后的芯坯安装在预先制备的铝合金框架中置于真空烧结炉中进行真空烧结；烧结后进行热轧，在芯坯达到一定的致密度后，再进行90°换向轧制得到热轧板材，再将热轧后的板材进行冷轧，经退火处理后矫直，得到预定密度的板材。

具体步骤如下：

步骤一混料：将质量分数10～65wt%、粒度20～40μm的B₄C粉末与质量分数35～90wt%、粒度10～20μm的Al合金粉末在混料机中均匀混合；

步骤二 芯坯压制：将混合均匀的B₄C铝合金粉末,压制成密度为70～85%TD的芯坯；

步骤三 芯坯烧结：将压制后的芯坯装入铝合金框架置于真空烧结炉进行真空烧结，保持真空烧结炉内的真空度在10^-2～10^-4Pa，烧结温度为400℃～540℃，烧结时间为2～18小时；

步骤四 热轧成板：取出烧结后的芯坯在400℃~530℃温度下进行多道热轧，芯坯轧制每道次变形量为20%～40%，当芯坯密度达到80~95%TD时，进行90°换向轧制，得到预定厚度尺寸的板材；

步骤五 冷轧矫直；将热轧后的板材进行冷轧，经退火处理后矫直，得到密度为99.00~99.20%TD的平整板材。

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

步骤一 混料：将质量分数10wt%、平均粒度20μm的B₄C粉末与质量分数90wt%、平均粒度10μm的Al合金粉末在混料机中均匀混合；

步骤二 芯坯压制：将混合均匀的B₄C铝合金粉末压制成芯坯，芯坯密度70%；

步骤三 芯坯烧结：将压制后的芯坯装入铝合金框架内置于真空烧结炉进行真空烧结，保持真空烧结炉内的真空度在10^-2Pa，烧结温度为400℃，烧结时间为18小时；

步骤四 热轧成板：将烧结后的芯坯在400℃温度下进行热轧，芯坯轧制道次变形量为20% ,当芯坯密度达到80%TD时,进行90°换向轧制,得到预定厚度尺寸的板材；

步骤五 冷轧矫直；将热轧后的板材进行冷轧，经退火处理后矫直，得到密度为99.20%TD的平整板材。

在上述制备条件下板材的拉伸力学性能如表1所示：

表1 板材密度为99.20%TD的拉伸力学性能

试 样	屈服强度Rp0.2 /MPa	抗拉强Rm/MPa	延伸率A/%
				Al+10%B4C	121	151	1.2

上述屈服强度是开始塑性形变的参数；上述抗拉强是塑性形变结束中子吸收板断裂的参数，延伸率是该中子吸收板断裂前最大长度与原始长度的比值。

实施例2

步骤一 混料：将质量分数30wt%、平均粒度40μm的B₄C粉末与质量分数70wt%、平均粒度20μm的Al合金粉末在混料机中均匀混合；

步骤二 芯坯压制：将混合均匀的铝合金粉末压制成芯坯，芯坯密度80%；

步骤三 芯坯烧结：将压制后的芯坯装入铝合金框架内置于真空烧结炉进行真空烧结，保持真空烧结炉内的真空度在10^-3Pa, 烧结温度为470℃，烧结为时间10小时；

步骤四 热轧成板：将烧结后的芯坯在500℃温度下进行热轧，芯坯轧制道次变形量为35%，当芯坯密度达到85%TD时进行90°换向轧制，得到预定厚度尺寸的板材；

步骤五 冷轧矫直；将热轧后的板材进行冷轧，经退火处理后矫直，得到密度为99.10%TD的平整板材。

在上述制备条件下板材的拉伸力学性能如表2所示：

表2 板材密度为99.10%TD的拉伸力学性能

试样	屈服强度Rp0.2 /MPa	抗拉强Rm/MPa	延伸率A/%
				Al+30%B4C	128	166	1.5

实施例3

步骤一 混料：将质量分数65wt%、平均粒度40μm的B₄C粉末与质量分数35wt%、平均粒度10μm的Al合金粉末在混料机中均匀混合；

步骤二 芯坯压制：将混合均匀的铝合金粉末压制成芯坯，芯坯密度85%；

步骤三 芯坯烧结：将压制后的芯坯装入铝合金框架内置于真空烧结炉进行真空烧结，保持真空烧结炉内的真空度在10^-4Pa ,烧结温度为540℃，烧结为时间2小时；

步骤四 热轧成板：将烧结后的芯坯在530℃温度下进行热轧，芯坯轧制道次变形量为40%，当芯坯密度达到95%TD时进行90°换向轧制，得到预定厚度尺寸的板材；

步骤五 冷轧矫直；将热轧后的板材进行冷轧，经退火处理后矫直，得到密度为99.00%TD的平整板材。

在上述制备条件下板材的拉伸力学性能如表3所示：

表3 板材密度为99.00%TD的拉伸力学性能

试样	屈服强度Rp0.2 /MPa	抗拉强Rm/MPa	延伸率A/%
				Al+45%B4C	136	178	2.5

Claims (1)

1.一种高密度碳化硼铝金属基复合材料的制备方法，步骤如下：

步骤一混料：将质量分数10～65wt%、粒度20～40μm的B₄C粉末与质量分数35～90wt%、粒度10～20μm的Al合金粉末在混料机中均匀混合；

步骤二 芯坯压制：将混合均匀的B₄C铝合金粉末,压制成密度为70～85%TD的芯坯；

步骤三 芯坯烧结：将压制后的芯坯装入铝合金框架置于真空烧结炉进行真空烧结，保持真空烧结炉内的真空度在10^-2～10^-4Pa，烧结温度为400℃～540℃，烧结时间为2～18小时；

步骤四 热轧成板：取出烧结后的芯坯在400℃~530℃温度下进行多道热轧，芯坯轧制每道次变形量为20%～40%，当芯坯密度达到80~95%TD时，进行90°换向轧制，得到预定厚度尺寸的板材；

步骤五 冷轧矫直；将热轧后的板材进行冷轧，经退火处理后矫直，得到密度为99.00~99.20%TD的平整板材。