本發(fā)明屬于乏燃料貯運(yùn)用鋁基中子吸收材料制備領(lǐng)域，具體提供一種高B₄C含量鋁基中子吸收材料板材的高效率制備方法。該材料可用于制造乏燃料干式貯存、運(yùn)輸容器的格架等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

核電站使用過的核燃料一般稱為乏燃料，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)百萬千瓦核電機(jī)組每年約卸出約20噸乏燃料。因乏燃料后處理難度大、成本高，目前大多數(shù)國家都采取暫時(shí)貯存的方式，分為濕法貯存和干式貯存。一般乏燃料從反應(yīng)堆卸出后先在乏燃料貯存水池中暫時(shí)貯存(5～15)年，待乏燃料衰變到一定程度再進(jìn)行濕式或干式離堆貯存或進(jìn)行后處理。

因新卸出乏燃料衰變能高，要在乏燃料水池中實(shí)現(xiàn)高密度貯存，需要高硼含量中子吸收材料來維護(hù)乏燃料的次臨界狀態(tài)。如目前新建乏燃料水池中大量使用的碳化硼鋁中子吸收材料主要以31％B₄C含量為主。中子吸收材料主要應(yīng)用形式為板材，碳化硼鋁基中子吸收材料的常規(guī)制備方法主要為坯錠制備、帶板擠壓、板坯反復(fù)退火熱軋制成成品板。目前大量使用的高致密度鋁基中子吸收材料主要采用鑄造法(如專利“一種碳化硼鋁基復(fù)合材料及中子吸收板”，申請(qǐng)?zhí)枮?01410560252.X)、粉末冶金無壓燒結(jié)法(如專利“B₄C-Al復(fù)合材料制備方法”，申請(qǐng)?zhí)枮?01010607497.5)及熱壓燒結(jié)法(如專利“一種鋁基碳化硼中子吸收復(fù)合材料的制備方法”，申請(qǐng)?zhí)枮?01110224888.3)等。其中鑄造法很難制備高B₄C含量鋁基中子吸收材料坯錠，目前少量使用的以小于30％B₄C為主；粉末冶金無壓燒結(jié)法制備高B₄C含量鋁基中子吸收材料坯錠時(shí)，因鋁自燒結(jié)性能較差，加上大量B₄C顆粒的存在，很難獲得致密的坯錠。熱壓燒結(jié)法是獲得高致密度高B₄C含量鋁基中子吸收材料坯錠的最有效方法。然而高B₄C含量鋁基中子吸收材料因碳化硼含量高，其室溫及高溫下塑性低，因此熱變形難度很大，擠壓和軋制過程中工藝控制不當(dāng)極易造成開裂。且碳化硼顆粒對(duì)擠壓模具磨損較大，降低擠壓模具壽命，導(dǎo)致低的擠壓效率與高的模具成本。更重要的是常規(guī)高碳化硼含量鋁基中子吸收材料從板坯到成品板一般都需要30余道次反復(fù)退火熱軋工藝來完成，導(dǎo)致其生產(chǎn)效率低、成本高。

近年來，日本新開發(fā)了高B₄C含量鋁基中子吸收材料，并命名為的制備方法是將混合粉末裝入鋁盒內(nèi)封口燒結(jié)，再反復(fù)退火熱軋制成的一種三明治結(jié)構(gòu)(上下層為鋁，中間層為高B₄C含量鋁基中子吸收材料)，雖然芯部B₄C可高達(dá)50％，但因板坯未經(jīng)擠壓工序，板坯致密度較差，顆粒與鋁基本的結(jié)合強(qiáng)度低，軋制效率也較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供高B₄C含量鋁基中子吸收材料板材的高效率制備方法，解決現(xiàn)有方法制備高B₄C含量鋁基中子吸收材料坯錠難、擠壓過程中擠壓模具磨損高且易開裂及軋制效率低的問題，適用于制造乏燃料濕法貯存、運(yùn)輸用高效中子吸收材料的制備。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種乏燃料貯運(yùn)用高B₄C含量鋁基中子吸收材料板材的高效率制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、將鋼管模具下端用一定厚度純鋁或鋁合金墊密封；

(2)、將碳化硼-鋁或碳化硼-鋁合金混合粉末裝入鋼管模具內(nèi)，鋼管模具上端密封并冷壓；

(3)、將密封好的鋼管模具置于真空熱壓爐內(nèi)進(jìn)行熱壓燒結(jié)制備出致密坯錠；

(4)、將帶鋁或鋁合金墊的坯錠在一定溫度下熱擠壓成帶板，擠壓時(shí)鋁或鋁合金墊在前，擠壓后的帶板表面覆蓋一層一定厚度的鋁包覆層；

(5)、將帶鋁包覆層的擠壓帶板截成所需尺寸后在一定溫度下進(jìn)行反復(fù)退火熱軋，待板材軋制到一定厚度時(shí)去除上下表面鋁包覆層，再進(jìn)行反復(fù)退火熱軋獲得最終B₄C/Al中子吸收材料板材；或者不去除表面鋁包覆層，最終軋制成含鋁包覆層的三明治結(jié)構(gòu)板材。

其中，步驟(1)中，所述純鋁或鋁合金墊厚度優(yōu)選為鋼管模具中鋼管直徑的10～20％。

步驟(2)中，所述混合粉末中B₄C含量為20～40wt％，顆粒尺寸為3～50微米，混合粉末裝入鋼管模具后，鋼管模具上端用石墨紙與鋼墊密封，再冷壓至50～80％致密度，所述鋁合金優(yōu)選為6×××系鋁合金。

步驟(3)中，熱壓燒結(jié)溫度為560～650℃，保溫時(shí)間為0.5～5h，熱壓壓力為10～100MPa。得到坯錠后，將含鋁和鋁合金墊的坯錠從模具取出后機(jī)械加工去除表面雜質(zhì)缺陷。

步驟(4)中，擠壓時(shí)鋁或鋁合金墊在前，擠壓保溫溫度400～500℃，保溫0.1～5h，擠壓比大于4:1。

步驟(5)中，將帶鋁包覆層的擠壓帶板按要求尺寸截?cái)嗪笤?50～500℃下熱軋制，每道次退火工藝為：400～500℃下保溫0.5～5h，每道次軋制變形量10～30％。軋制過程中，根據(jù)成品板是否要求帶鋁包覆層的三明治結(jié)構(gòu)板材，決定在軋制到8～12mm厚時(shí)是否機(jī)加工去除表面鋁包覆層。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的高B₄C含量鋁基中子吸收材料板材的高效率制備方法與傳制備方法相比，可以實(shí)現(xiàn)鋁墊與鋁基中子吸收材料之間的冶金結(jié)合，坯錠擠壓時(shí)，鋁墊在帶板表面形成了一層無缺陷保護(hù)層，從而起到良好的潤(rùn)滑效果，一方面避免了鋁基中子吸收材料對(duì)擠壓模具的摩損從而提高擠壓模具壽命；另一方面，在鋁墊的潤(rùn)滑作用下，鋁基中子吸收材料擠壓過程中不易形成裂紋，且擴(kuò)大了鋁基中子吸收材料的擠壓工藝窗口。帶鋁包覆層的帶板在軋制過程中，因鋁包覆層具有良好的塑性變形能力，可抑制鋁基中子吸收材料邊緣產(chǎn)生裂紋，從而解決鋁基復(fù)合材料板材軋制過程中邊緣區(qū)域易開裂的問題，并提高每道次間軋制變形量，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

將40wt％B₄C-6061鋁合金混合粉末(B₄C顆粒平均尺寸44微米)裝入直徑380mm的鋼管模具中，一端用75mm厚的6061鋁合金墊密封，另一端用石墨紙與鋼墊密封，冷壓成型至60％致密度。然后在真空熱壓爐內(nèi)采用640℃×4h@50MPa工藝熱壓成致密度99.5％的坯錠，坯錠從模具取出后去掉表面雜質(zhì)，保留鋁墊厚度70mm。將鋁墊端置于擠壓前方，在460℃下擠壓成截面為290×30mm的帶板，帶板表面形成一層均勻厚度的鋁包覆層，帶板無開裂。將帶板截成350～500mm一段，在每道次450℃×1h退火工藝及約10～15％軋制變形量下經(jīng)6～8道次軋至11mm，將上下表面鋁包覆層機(jī)加工去除后，再在每道次450℃×1h退火工藝及12～18％軋制變形量下經(jīng)7～9道次軋至2.7mm，并形成最終成品板材。

采用該實(shí)施例制造的40wt％B₄C/6061坯錠擠壓過程無裂，經(jīng)過13～17道次可軋制出成品板材，軋制過程中板材邊緣開裂小。

對(duì)比例1

將40wt％B₄C-6061鋁合金混合粉末(B₄C顆粒平均尺寸44微米)裝入直徑為380mm的鋼管模具中，兩端用石墨紙與鋼墊密封，冷壓成型至60％致密度。然后在真空熱壓爐內(nèi)采用640℃×4h@50MPa工藝熱壓成致密度99.5％的坯錠，坯錠從模具取出后去掉表面雜質(zhì)。在460℃下擠壓成截面為290×30mm的帶板，帶板兩側(cè)形成鋸齒狀裂紋。將帶板兩側(cè)裂紋去除后截成450～600mm一段，在每道次450℃×1h退火工藝及約5～8％軋制變形量下經(jīng)約28～35道次軋至2.7mm。

采用該對(duì)比例制造的40wt％B₄C/6061坯錠在擠壓時(shí)兩側(cè)形成鋸齒狀裂紋，軋制過程中板材邊緣開裂大，廢品率極高。

實(shí)施例2

將33wt％B₄C-6061鋁合金混合粉末(B₄C顆粒平均尺寸28微米)裝入直徑450mm的鋼管模具中，一端用90mm厚的6061鋁合金墊密封，另一端用石墨紙與鋼墊密封，冷壓成型至70％致密度。然后在真空熱壓爐內(nèi)采用620℃×4h@50MPa工藝熱壓成致密度99.8％的坯錠，坯錠從模具取出后去掉表面雜質(zhì)，保留鋁墊厚度80mm。將鋁墊端置于擠壓前方，在460℃下擠壓成截面為290×30mm的帶板，帶板表面形成一層均勻厚度的鋁包覆層，帶板無開裂。將帶板截成350～500mm一段，在每道次450℃×1h退火工藝及約15～20％軋制變形量下經(jīng)5～6道次軋至10mm，將上下表面鋁包覆層機(jī)加工去除后，再在每道次450℃×1h退火工藝及17～22％軋制變形量下經(jīng)6～7道次軋至2.7mm，并形成最終成品板材。

采用該實(shí)施例制造的33wt％B₄C/6061坯錠擠壓過程無裂，經(jīng)過11～13道次可軋制出成品板材，軋制過程中板材邊緣開裂小。

對(duì)比例2

將33％wtB₄C-6061鋁合金混合粉末(B₄C顆粒平均尺寸28微米)裝入直徑為450mm的鋼管模具中，兩端用石墨紙與鋼墊密封，冷壓成型至70％致密度。然后在真空熱壓爐內(nèi)采用620℃×4h@50MPa工藝熱壓成致密度99.8％的坯錠，坯錠從模具取出后去掉表面雜質(zhì)。在450℃下擠壓成截面為290×30mm的帶板，帶板兩側(cè)形成鋸齒狀裂紋。將帶板兩側(cè)裂紋去除后截成400～550mm一段，在每道次450℃×1h退火工藝及約6～10％軋制變形量下經(jīng)約24～28道次軋至2.7mm。

采用該實(shí)施例制造的33wt％B₄C/6061在擠壓時(shí)兩側(cè)形成鋸齒狀裂紋，軋制過程中板材邊緣開裂大，廢品率高。

實(shí)施例3

將21wt％B₄C-6061鋁合金混合粉末(B₄C顆粒平均尺寸3.5微米)裝入直徑380mm的鋼管模具中，一端用40mm厚的鋁墊密封，另一端用石墨紙與鋼墊密封，冷壓成型至75％致密度。然后在真空熱壓爐內(nèi)采用580℃×4h@70MPa工藝熱壓成致密度99.9％的坯錠，坯錠從模具取出后去掉表面雜質(zhì)，保留鋁墊厚度35mm。將鋁墊端置于擠壓前方，在420℃下擠壓成截面為290×30mm的帶板，帶板表面形成一層均勻厚度的鋁包覆層，帶板無開裂。將帶板截成350～500mm一段，在每道次420℃×1h退火工藝及約20～30％軋制變形量下經(jīng)7～8道次軋至2.3mm，并形成最終三明治結(jié)構(gòu)成品板材。

采用該實(shí)施例制造的21wt％B₄C/6061坯錠擠壓過程無裂，經(jīng)過7～8道次可軋制出成品板材，軋制過程中板材邊緣無開裂。

對(duì)比例3

將21wt％B₄C-6061鋁合金混合粉末(B₄C顆粒平均尺寸3.5微米)裝入直徑為380mm的鋼管模具中，兩端用石墨紙與鋼墊密封，冷壓成型至75％致密度。然后在真空熱壓爐內(nèi)采用580℃×4h@70MPa工藝熱壓成致密度99.8％的坯錠，坯錠從模具取出后去掉表面雜質(zhì)。在450℃下擠壓成截面為290×30mm的帶板，帶板兩側(cè)局部出現(xiàn)少量微裂紋。將帶板兩側(cè)裂紋去除后截成400～550mm一段，在每道次420℃×1h退火工藝及約15～20％軋制變形量下經(jīng)約12～14道次軋至2.0mm。

采用該實(shí)施例制造的21wt％B₄C/6061在擠壓時(shí)兩側(cè)局部形成少量微裂紋，軋制過程中板材邊緣局部開裂，軋制效率較低。

上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。