一种高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法

摘要

本发明涉及一种乏燃料贮运用高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法，包括以下步骤：(1)、将钢管模具下端用纯铝或铝合金垫密封；(2)、将碳化硼‑铝或铝合金混合粉末装入钢管模具内，钢管模具上端密封并冷压；(3)、将密封好的钢管模具置于真空热压炉内进行热压烧结制备出致密坯锭；(4)、将带铝或铝合金垫的坯锭热挤压成带板，挤压时铝或铝合金垫在前，挤压后的带板表面覆盖一层铝包覆层；(5)、将带铝包覆层的挤压带板截成所需尺寸后反复退火热轧，待板材轧制到一定厚度时去除上下表面铝包覆层(或不去除)，再反复退火热轧获得最终B4C/Al中子吸收材料板材。采用该方法可在较高的效率下轧制出高B4C含量的铝基中子吸收材料板材。

权利要求

1.一种乏燃料贮运用高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、将钢管模具下端用纯铝或铝合金垫密封，所述纯铝或铝合金垫厚度为钢管模具中钢管直径的10～20％；

(2)、将碳化硼-铝或碳化硼-铝合金混合粉末装入钢管模具内，钢管模具上端密封并冷压；

(3)、将密封好的钢管模具置于真空热压炉内进行热压烧结制备出致密坯锭；

(4)、将带铝或铝合金垫的坯锭热挤压成带板，挤压时铝或铝合金垫在前，挤压保温温度400～500℃，保温0.1～5h，挤压比大于4:1，挤压后的带板表面覆盖一层铝包覆层；

(5)、将带铝包覆层的挤压带板截成所需尺寸后进行反复退火热轧，待板材轧制到一定厚度时去除上下表面铝包覆层，再进行反复退火热轧获得最终B4C/Al中子吸收材料板材；

或者不去除表面铝包覆层，最终轧制成含铝包覆层的三明治结构板材。

2.按照权利要求1所述乏燃料贮运用高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述混合粉末中B4C含量为20～40wt％，颗粒尺寸为3～50微米。

3.按照权利要求1所述乏燃料贮运用高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法，其特征在于：步骤(2)中，混合粉末装入钢管模具后，钢管模具上端用石墨纸与钢垫密封，再冷压至50～80％致密度。

4.按照权利要求1所述乏燃料贮运用高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述铝合金为6×××系铝合金。

5.按照权利要求1所述乏燃料贮运用高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法，其特征在于：步骤(3)中，热压烧结温度为560～650℃，保温时间为0.5～5h，热压压力为

10～100MPa。

6.按照权利要求1所述乏燃料贮运用高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法，其特征在于：步骤(3)得到坯锭后，将含铝或铝合金垫的坯锭从模具取出后机械加工去除表面杂质缺陷。

7.按照权利要求1所述乏燃料贮运用高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法，其特征在于：步骤(5)中，将带铝包覆层的挤压带板按要求尺寸截断后在350～500℃下热轧制，每道次退火工艺为：400～500℃下保温0.5～5h，每道次轧制变形量10～30％。

8.按照权利要求1所述乏燃料贮运用高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法，其特征在于：步骤(5)中，根据成品板是否要求带铝包覆层的三明治结构板材，决定在轧制到8～12mm厚时是否机加工去除表面铝包覆层。

说明书

一种高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于乏燃料贮运用铝基中子吸收材料制备领域，具体提供一种高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法。该材料可用于制造乏燃料干式贮存、运输容器的格架等领域。

背景技术

[0002] 核电站使用过的核燃料一般称为乏燃料，据统计，一台百万千瓦核电机组每年约卸出约20吨乏燃料。因乏燃料后处理难度大、成本高，目前大多数国家都采取暂时贮存的方式，分为湿法贮存和干式贮存。一般乏燃料从反应堆卸出后先在乏燃料贮存水池中暂时贮存(5～15)年，待乏燃料衰变到一定程度再进行湿式或干式离堆贮存或进行后处理。

[0003] 因新卸出乏燃料衰变能高，要在乏燃料水池中实现高密度贮存，需要高硼含量中子吸收材料来维护乏燃料的次临界状态。如目前新建乏燃料水池中大量使用的碳化硼铝中子吸收材料主要以31％B4C含量为主。中子吸收材料主要应用形式为板材，碳化硼铝基中子吸收材料的常规制备方法主要为坯锭制备、带板挤压、板坯反复退火热轧制成成品板。目前大量使用的高致密度铝基中子吸收材料主要采用铸造法(如专利“一种碳化硼铝基复合材料及中子吸收板”，申请号为201410560252.X)、粉末冶金无压烧结法(如专利“B4C-Al复合材料制备方法”，申请号为201010607497.5)及热压烧结法(如专利“一种铝基碳化硼中子吸收复合材料的制备方法”，申请号为201110224888.3)等。其中铸造法很难制备高B4C含量铝基中子吸收材料坯锭，目前少量使用的以小于30％B4C为主；粉末冶金无压烧结法制备高B4C含量铝基中子吸收材料坯锭时，因铝自烧结性能较差，加上大量 B4C颗粒的存在，很难获得致密的坯锭。热压烧结法是获得高致密度高B4C 含量铝基中子吸收材料坯锭的最有效方法。然而高B4C含量铝基中子吸收材料因碳化硼含量高，其室温及高温下塑性低，因此热变形难度很大，挤压和轧制过程中工艺控制不当极易造成开裂。且碳化硼颗粒对挤压模具磨损较大，降低挤压模具寿命，导致低的挤压效率与高的模具成本。更重要的是常规高碳化硼含量铝基中子吸收材料从板坯到成品板一般都需要30余道次反复退火热轧工艺来完成，导致其生产效率低、成本高。

[0004] 近年来，日本新开发了高B4C含量铝基中子吸收材料 ，并命名为的制备方法是将混合粉末装入铝盒内封口烧结，再反复退火热轧制成的一种三明治结构(上下层为铝，中间层为高B4C含量铝基中子吸收材料)，虽然芯部B4C可高达50％，但因 板坯未经挤压工序，板坯致密度较差，颗
粒与铝基本的结合强度低，轧制效率也较低。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法，解决现有方法制备高B4C含量铝基中子吸收材料坯锭难、挤压过程中挤压模具磨损高且易开裂及轧制效率低的问题，适用于制造乏燃料湿法贮存、运输用高效中子吸收材料的制备。

[0006] 本发明的技术方案是：

[0007] 一种乏燃料贮运用高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0008] (1)、将钢管模具下端用一定厚度纯铝或铝合金垫密封；

[0009] (2)、将碳化硼-铝或碳化硼-铝合金混合粉末装入钢管模具内，钢管模具上端密封并冷压；

[0010] (3)、将密封好的钢管模具置于真空热压炉内进行热压烧结制备出致密坯锭；

[0011] (4)、将带铝或铝合金垫的坯锭在一定温度下热挤压成带板，挤压时铝或铝合金垫在前，挤压后的带板表面覆盖一层一定厚度的铝包覆层；

[0012] (5)、将带铝包覆层的挤压带板截成所需尺寸后在一定温度下进行反复退火热轧，待板材轧制到一定厚度时去除上下表面铝包覆层，再进行反复退火热轧获得最终B4C/Al中子吸收材料板材；或者不去除表面铝包覆层，最终轧制成含铝包覆层的三明治结构板材。

[0013] 其中，步骤(1)中，所述纯铝或铝合金垫厚度优选为钢管模具中钢管直径的10～20％。

[0014] 步骤(2)中，所述混合粉末中B4C含量为20～40wt％，颗粒尺寸为3～50 微米，混合粉末装入钢管模具后，钢管模具上端用石墨纸与钢垫密封，再冷压至50～80％致密度，所述铝合金优选为6×××系铝合金。

[0015] 步骤(3)中，热压烧结温度为560～650℃，保温时间为0.5～5h，热压压力为10～100MPa。得到坯锭后，将含铝和铝合金垫的坯锭从模具取出后机械加工去除表面杂质缺陷。

[0016] 步骤(4)中，挤压时铝或铝合金垫在前，挤压保温温度400～500℃，保温0.1～5h，挤压比大于4:1。

[0017] 步骤(5)中，将带铝包覆层的挤压带板按要求尺寸截断后在350～500 ℃下热轧制，每道次退火工艺为：400～500℃下保温0.5～5h，每道次轧制变形量10～30％。轧制过程中，根据成品板是否要求带铝包覆层的三明治结构板材，决定在轧制到8～12mm厚时是否机加工去除表面铝包覆层。

[0018] 本发明的有益效果是：

[0019] 本发明的高B4C含量铝基中子吸收材料板材的高效率制备方法与传制备方法相比，可以实现铝垫与铝基中子吸收材料之间的冶金结合，坯锭挤压时，铝垫在带板表面形成了一层无缺陷保护层，从而起到良好的润滑效果，一方面避免了铝基中子吸收材料对挤压模具的摩损从而提高挤压模具寿命；另一方面，在铝垫的润滑作用下，铝基中子吸收材料挤压过程中不易形成裂纹，且扩大了铝基中子吸收材料的挤压工艺窗口。带铝包覆层的带板在轧制过程中，因铝包覆层具有良好的塑性变形能力，可抑制铝基中子吸收材料边缘产生裂纹，从而解决铝基复合材料板材轧制过程中边缘区域易开裂的问题，并提高每道次间轧制变形量，从而提高生产效率和产品合格率。

具体实施方式

[0020] 实施例1

[0021] 将40wt％B4C-6061铝合金混合粉末(B4C颗粒平均尺寸44微米)装入直径380mm的钢管模具中，一端用75mm厚的6061铝合金垫密封，另一端用石墨纸与钢垫密封，冷压成型至60％致密度。然后在真空热压炉内采用640℃×4h@50MPa工艺热压成致密度99.5％的坯锭，坯锭从模具取出后去掉表面杂质，保留铝垫厚度70mm。将铝垫端置于挤压前方，在460℃下挤压成截面为290×30mm的带板，带板表面形成一层均匀厚度的铝包覆层，带板无开裂。将带板截成350～500mm一段，在每道次450℃×1h退火工艺及约10～15％轧制变形量下经6～
8道次轧至11mm，将上下表面铝包覆层机加工去除后，再在每道次450℃×1h退火工艺及12～18％轧制变形量下经7～9 道次轧至2.7mm，并形成最终成品板材。

[0022] 采用该实施例制造的40wt％B4C/6061坯锭挤压过程无裂，经过13～17 道次可轧制出成品板材，轧制过程中板材边缘开裂小。

[0023] 对比例1

[0024] 将40wt％B4C-6061铝合金混合粉末(B4C颗粒平均尺寸44微米)装入直径为380mm的钢管模具中，两端用石墨纸与钢垫密封，冷压成型至60％致密度。然后在真空热压炉内采用640℃×4h@50MPa工艺热压成致密度 99.5％的坯锭，坯锭从模具取出后去掉表面杂质。在
460℃下挤压成截面为 290×30mm的带板，带板两侧形成锯齿状裂纹。将带板两侧裂纹去除后截成 450～600mm一段，在每道次450℃×1h退火工艺及约5～8％轧制变形量下经约28～
35道次轧至2.7mm。

[0025] 采用该对比例制造的40wt％B4C/6061坯锭在挤压时两侧形成锯齿状裂纹，轧制过程中板材边缘开裂大，废品率极高。

[0026] 实施例2

[0027] 将33wt％B4C-6061铝合金混合粉末(B4C颗粒平均尺寸28微米)装入直径450mm的钢管模具中，一端用90mm厚的6061铝合金垫密封，另一端用石墨纸与钢垫密封，冷压成型至70％致密度。然后在真空热压炉内采用620℃×4h@50MPa工艺热压成致密度99.8％的坯锭，坯锭从模具取出后去掉表面杂质，保留铝垫厚度80mm。将铝垫端置于挤压前方，在460℃下挤压成截面为290×30mm的带板，带板表面形成一层均匀厚度的铝包覆层，带板无开裂。将带板截成350～500mm一段，在每道次450℃×1h退火工艺及约15～20％轧制变形量下经5～
6道次轧至10mm，将上下表面铝包覆层机加工去除后，再在每道次450℃×1h退火工艺及17～22％轧制变形量下经6～7 道次轧至2.7mm，并形成最终成品板材。

[0028] 采用该实施例制造的33wt％B4C/6061坯锭挤压过程无裂，经过11～13 道次可轧制出成品板材，轧制过程中板材边缘开裂小。

[0029] 对比例2

[0030] 将33％wtB4C-6061铝合金混合粉末(B4C颗粒平均尺寸28微米)装入直径为450mm的钢管模具中，两端用石墨纸与钢垫密封，冷压成型至70％致密度。然后在真空热压炉内采用620℃×4h@50MPa工艺热压成致密度 99.8％的坯锭，坯锭从模具取出后去掉表面杂质。在
450℃下挤压成截面为 290×30mm的带板，带板两侧形成锯齿状裂纹。将带板两侧裂纹去除后截成 400～550mm一段，在每道次450℃×1h退火工艺及约6～10％轧制变形量下经约24～28道次轧至2.7mm。

[0031] 采用该实施例制造的33wt％B4C/6061在挤压时两侧形成锯齿状裂纹，轧制过程中板材边缘开裂大，废品率高。

[0032] 实施例3

[0033] 将21wt％B4C-6061铝合金混合粉末(B4C颗粒平均尺寸3.5微米)装入直径380mm的钢管模具中，一端用40mm厚的铝垫密封，另一端用石墨纸与钢垫密封，冷压成型至75％致密度。然后在真空热压炉内采用580℃×4h@70MPa工艺热压成致密度99.9％的坯锭，坯锭从模具取出后去掉表面杂质，保留铝垫厚度35mm。将铝垫端置于挤压前方，在420℃下挤压成截面为290×30mm的带板，带板表面形成一层均匀厚度的铝包覆层，带板无开裂。将带板截成350～500mm一段，在每道次420℃×1h退火工艺及约 20～30％轧制变形量下经7～8道次轧至2.3mm，并形成最终三明治结构成品板材。

[0034] 采用该实施例制造的21wt％B4C/6061坯锭挤压过程无裂，经过7～8道次可轧制出成品板材，轧制过程中板材边缘无开裂。

[0035] 对比例3

[0036] 将21wt％B4C-6061铝合金混合粉末(B4C颗粒平均尺寸3.5微米)装入直径为380mm的钢管模具中，两端用石墨纸与钢垫密封，冷压成型至75％致密度。然后在真空热压炉内采用580℃×4h@70MPa工艺热压成致密度 99.8％的坯锭，坯锭从模具取出后去掉表面杂质。在450℃下挤压成截面为 290×30mm的带板，带板两侧局部出现少量微裂纹。将带板两侧裂纹去除后截成400～550mm一段，在每道次420℃×1h退火工艺及约15～20％轧制变形量下经约12～14道次轧至2.0mm。

[0037] 采用该实施例制造的21wt％B4C/6061在挤压时两侧局部形成少量微裂纹，轧制过程中板材边缘局部开裂，轧制效率较低。

[0038] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。