專利名稱：B₄C-Al復(fù)合材料制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種制備B4C-Al復(fù)合材料的方法。該材 料有可能應(yīng)用于中子吸收/屏蔽領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間輻照后成為乏燃料，要從堆內(nèi)卸出。每年從核電 站反應(yīng)堆內(nèi)卸出的乏燃料約為反應(yīng)堆總裝料量的1/Γ1/3。卸出的乏燃料具有很強(qiáng)的放射 性并繼續(xù)釋放熱量，需要采取措施，予以管理，使其對(duì)安全不造成危害。安全、有效地處理和處置乏燃料及其核廢料對(duì)核電可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。隨著國(guó) 內(nèi)核電站的相繼建成和使用，乏燃料的貯存量將會(huì)越來(lái)越大，乏燃料的貯存必將朝著密集 化、長(zhǎng)期化方向發(fā)展。為了增加乏燃料貯存池的貯存量，滿足核電運(yùn)營(yíng)商最大限度利用乏燃 料貯存水池的需求，需要采用高密度或極高貯存密度的解決方案，并使用專門(mén)的中子吸收 材料，以便使乏燃料保持次臨界狀態(tài)。傳統(tǒng)乏燃料貯存格架的中子吸收材料是含硼聚乙烯板，這種材料輻照量超過(guò)一定 的值后會(huì)脆化，所以國(guó)外現(xiàn)在已經(jīng)基本不采用含硼聚乙烯作為中子吸收材料了。含硼不 銹鋼雖然機(jī)械性能強(qiáng)，但由于其中硼含量較低，需要采用濃縮的B-10，從而導(dǎo)致成本顯著 增加，因此其應(yīng)用受到一定限制。國(guó)際上先進(jìn)的乏燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)中，主要采用BORAL 和 METAMIC 等鋁基復(fù)合物來(lái)作為中子吸收材料。B0RAL 是熱軋B4C-Al復(fù)合材料核心是均 勻混合分布的鋁合金微粒與碳化硼微粒，兩面覆蓋0.3mm厚的同種鋁金屬薄板。其中，B4C 的含量為35%飛5%。由于這三層物質(zhì)是在300°C熱軋制備的，該過(guò)程可能沒(méi)有發(fā)生燒結(jié)，因 此，硼的分布是不均勻的。在使用過(guò)程中出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，尚未得到徹底解決；METAMIC 是粉 末燒結(jié)B4C-Al復(fù)合材料，其制備過(guò)程復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求高，包括將鋁合金細(xì)粉末與硼粉末/ 碳化硼粉末進(jìn)行混合，等(靜)壓成型，真空燒結(jié)和高溫?cái)D壓幾個(gè)步驟。B4C-Al復(fù)合材料的制備可采用壓力浸滲工藝、常壓浸滲工藝、無(wú)壓浸滲工藝、粉末 冶金法、冷壓燒結(jié)、熱壓、熱等靜壓、注射成形、金屬熔體工藝(攪拌復(fù)合法)和自蔓延高溫燃 燒合成等工藝實(shí)現(xiàn)。J. Abenojar等人在《材料制備技術(shù)》雜志(Journal of materials processing technology》007年第184卷441 446頁(yè)的文章《機(jī)械合金化制備的A1+10%B4C 體系工藝參數(shù)優(yōu)化〉〉(Optimization of processing parameters for the A1+10%B4C system obtained by mechanical alloying)采用行星式球磨機(jī)將 Al 與 10% 的 B4C 混 合均勻，隨后在50(Γ700ΜΙ^壓力下壓實(shí)，最后在N2/10H2/0. ICH4或氬氣氣氛下燒結(jié)獲得 A1-10%B4C陶瓷材料，但該材料未經(jīng)擠壓/熱軋?zhí)幚?，樣品力學(xué)性能較差，抗彎強(qiáng)度僅為 14(Tl70MPa左右，只具有中子吸收功能，而不能同時(shí)用作結(jié)構(gòu)材料使用。綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)B4C-Al復(fù)合材料作為中子吸收材料、結(jié)構(gòu)材料方面的研究尚 不多見(jiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有B4C-Al復(fù)合材料力學(xué)性能較差，不能用作結(jié)構(gòu)材料的缺點(diǎn)，本發(fā)明 提供一種制備&C-A1復(fù)合材料的方法。本發(fā)明采用的技術(shù)解決方案是將B4C粉末和Al合金粉末利用高能球磨機(jī)進(jìn)行高 低速循環(huán)變速球磨，不僅能減輕球磨過(guò)程中材料的焊合程度，避免產(chǎn)生材料的宏觀偏析以 及原材料的浪費(fèi)，還可實(shí)現(xiàn)B4C微粒在Al合金基體中的均勻分布，這一點(diǎn)是確保材料最終 力學(xué)性能及中子吸收性能的關(guān)鍵因素之一；將混合粉末采用普通單向壓制成型可達(dá)到降低 成本、簡(jiǎn)化工藝難度的目的；將燒結(jié)坯在高溫下進(jìn)行擠壓/熱軋成型，可使晶粒細(xì)化，分布 均勻，并且在顆粒之間形成較強(qiáng)的結(jié)合力，從而使復(fù)合物板材的力學(xué)性能指標(biāo)得以增強(qiáng)。本發(fā)明的制備B4C-Al復(fù)合材料的方法包括以下步驟(1)采用高能球磨方式將一 定比例的原料碳化硼粉末與鋁合金粉末混合均勻；(2)將混合均勻的粉末壓制成型；(3)將 步驟(2)中壓制成型的壓坯在一定溫度下進(jìn)行真空燒結(jié)；(4)將步驟(3)中燒結(jié)好的燒結(jié)坯 在一定溫度下進(jìn)行擠壓；(5)將步驟(4)中擠壓成型的材料在一定溫度下進(jìn)行多次熱軋，獲 得B4C-Al復(fù)合物板材，該材料具有碳化硼分布均勻，力學(xué)性能良好的特點(diǎn)，有可能應(yīng)用于中 子吸收/屏蔽目的。碳化硼在復(fù)合物中的化學(xué)計(jì)量比為5% 35% ；
作為過(guò)程控制劑的硬脂酸/硬脂酸鋅，其質(zhì)量為混合物總質(zhì)量的0% 5. 0% ；球磨過(guò) 程的球料比為5:1 20:1 ；球磨轉(zhuǎn)速在高速與低速之間進(jìn)行交替循環(huán)變化，高速范圍為 600rpm 1200rpm，低速范圍為200rpm 500rpm ；進(jìn)行轉(zhuǎn)速交替變化循環(huán)球磨，高轉(zhuǎn)速與 低轉(zhuǎn)速時(shí)間分別為60sec 600sec ；球磨時(shí)間為1小時(shí) 20小時(shí)；
碳化硼與6061鋁合金粉末均勻混合后，進(jìn)行壓制成型，壓力為20MPa 300MPa ；保壓 時(shí)間為30sec 300sec ；
壓坯的燒結(jié)溫度為500°C 600°C ；根據(jù)所需要的燒結(jié)坯的性能，燒結(jié)溫度可以進(jìn)行相 應(yīng)調(diào)整；燒結(jié)過(guò)程真空度為1 X IO-2Pa 10 ；
燒結(jié)坯隨后進(jìn)行擠壓處理，擠壓溫度為400°C 550°C ；
擠壓后樣品進(jìn)行熱軋，熱軋溫度為400°C 520°C，每次變形量控制在7%以內(nèi)。硬脂酸/硬脂酸鋅的加入可以有效抑制球磨過(guò)程中過(guò)度焊合情況的發(fā)生，減輕 原料粉末在球磨艙內(nèi)壁、研磨球上的粘結(jié)、焊合，使原料能得到充分混合；球料比為5:1 20 1時(shí)球磨效果較好且出粉量較大，生產(chǎn)效率高，對(duì)于特定的球磨機(jī)而言，容器內(nèi)球裝得過(guò) 多即球料比過(guò)大時(shí)，會(huì)減小運(yùn)動(dòng)的平均自由程，然而裝得過(guò)少又會(huì)降低球與球之間的碰撞 頻率；采用循環(huán)變速球磨可以減輕焊合現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)改變研磨球在球磨艙中的運(yùn)動(dòng)速 度可以改變其在艙中的擊打碰撞位置，避免采用勻速球磨時(shí)研磨球總是擊打在艙中的同一 個(gè)部位造成粉末的堆積焊合，獲得碳化硼分布均勻的B4C-Al混合材料。采用單向壓制成型與采用冷/熱等靜壓成型技術(shù)相比，對(duì)設(shè)備要求較低，加工過(guò) 程簡(jiǎn)單，且有利于降低生產(chǎn)成本；
采用真空燒結(jié)可避免材料的氧化；燒結(jié)溫度控制在低于混合物熔點(diǎn)的范圍，可避免材 料由于熔融、流動(dòng)，造成化學(xué)成分偏析；
采用擠壓處理過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，并且在微粒之間形成緊密地結(jié)合，增強(qiáng)材料的力 學(xué)性能；采用熱軋后處理工藝，可以增強(qiáng)擠壓產(chǎn)品的硬度等力學(xué)性能指標(biāo)，控制每次變形量可 防止加工過(guò)程中材料開(kāi)裂。本發(fā)明與同類技術(shù)相比，采用高能球磨過(guò)程可獲得碳化硼分布均勻的B4C-Al混合 材料，重復(fù)性好，出粉量高；采用單向壓制不但能實(shí)現(xiàn)粉末材料的成型，還可達(dá)到降低生產(chǎn) 成本的目的；采用真空燒結(jié)可防止原料發(fā)生氧化；采用擠壓/熱軋可獲得碳化硼分布均勻 的B4C-Al復(fù)合材料板材；有可能應(yīng)用于中子吸收/屏蔽目的。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的制備B4C-Al復(fù)合材料的方法包括以下步驟(1)將碳化硼含量為5% 35%的 碳化硼粉末與鋁合金粉末采用高能球磨方式混合，作為球磨過(guò)程控制劑的硬脂酸/硬脂酸 鋅，其質(zhì)量為混合物總質(zhì)量的0% 5. 0% ；球料比為5:1 20:1 ；球磨轉(zhuǎn)速在高速與低速之 間進(jìn)行交替循環(huán)變化，高速范圍為(600 1200)rpm，低速范圍為(200 500) rpm ；進(jìn)行 轉(zhuǎn)速交替變化循環(huán)球磨，高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速時(shí)間分別為60sec 600sec ；球磨時(shí)間為1 20 小時(shí)；(2)將混合均勻的粉末壓制成型，壓制方式為單向壓制，壓制壓力為20ΜΙ^ 300MPa ； 保壓時(shí)間為30sec 300seC ;(3)將步驟(2)中壓制成型的壓坯在一定溫度下進(jìn)行真空燒 結(jié)，燒結(jié)溫度為500°C 600°C ；根據(jù)所需要的燒結(jié)坯的性能，燒結(jié)溫度可以進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整； 燒結(jié)過(guò)程真空度為1X10_2I^ 101^;(4)將步驟(3)中燒結(jié)好的燒結(jié)坯在一定溫度下進(jìn)行 擠壓，擠壓溫度為400°C 550°C; (5)將步驟(4)中擠壓成型的材料在一定溫度下進(jìn)行多次 熱軋，獲得B4C-Al復(fù)合物板材，熱軋溫度為400°C 520°C，每次變形量控制在7%以內(nèi)。該 材料具有碳化硼分布均勻，力學(xué)性能良好的特點(diǎn)，有可能應(yīng)用于中子吸收/屏蔽目的。實(shí)施例1
按質(zhì)量比15% 85%稱取將碳化硼粉末和型號(hào)為6061的鋁合金粉末，放入高能球磨機(jī) 中進(jìn)行循環(huán)變速球磨，轉(zhuǎn)速在300rpm和600rpm之間交替變化，每種轉(zhuǎn)速下分別球磨300sec (以300rpm/300sec 600rpm/300sec表示，下同)，連續(xù)球磨3h，添加洲硬脂酸作為過(guò)程 控制劑，球料比為10:1，球磨過(guò)程用氬氣進(jìn)行保護(hù)。球磨之后采用單向壓制方式壓制成型， 壓力為30MPa，保壓;3min ；將壓坯置于真空燒結(jié)爐中，于550°C燒結(jié)4h ；將燒結(jié)好的樣品于 430°C進(jìn)行擠壓；于410°C進(jìn)行多次熱軋，每次變形量控制在5%以內(nèi)，最終獲得厚度為3mm 左右的復(fù)合物板材。實(shí)施例2:
選擇球料比為15:1，添加0. 5%硬脂酸鋅作為過(guò)程控制劑，球磨他；選擇燒結(jié)溫度為 600°C，擠壓溫度為520°C，熱軋溫度為430°C，其余條件同實(shí)施例1進(jìn)行。實(shí)施例3:
選擇燒結(jié)溫度為520°C，擠壓溫度為470°C，熱軋溫度為450°C，其余條件同實(shí)施例2進(jìn)行。實(shí)施例4:
選擇熱軋溫度為480°C，其余條件同實(shí)施例2進(jìn)行。表1為實(shí)施例1 4在不同工藝條件下獲得的復(fù)合物板材力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比表。表1不同工藝條件制備的15%B4C_A1復(fù)合物板材力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果結(jié)合熱軋后樣品的SEM及BSTL圖片可知碳化硼顆粒在鋁基體中分布均勻，與鋁基 體結(jié)合緊密；結(jié)合表1所示力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，表明采用上述高能球磨-壓制-燒結(jié)-擠 壓-熱軋工藝可以使碳化硼顆粒均勻分布在鋁基體中，并且與鋁基體形成良好的界面結(jié) 合，因此可以獲得力學(xué)性能優(yōu)異的&C-A1復(fù)合物板材；實(shí)施例4所述工藝是制備15%B4C-A1 復(fù)合物板材的最優(yōu)工藝。通過(guò)制備工藝的綜合調(diào)整可以對(duì)力學(xué)性能特別是伸長(zhǎng)率進(jìn)行相應(yīng) 的調(diào)整，獲得滿足使用要求的復(fù)合物板材。對(duì)比例1
按質(zhì)量比15% 85%稱取將碳化硼粉末和型號(hào)為6063的鋁合金粉末，，放入高能球磨 機(jī)中進(jìn)行循環(huán)變速球磨，以800rpm/60sec 1000rpm/60sec球磨池，添加洲硬脂酸作為過(guò) 程控制劑，球料比為10:1，球磨過(guò)程用氬氣進(jìn)行保護(hù)。球磨之后采用冷等靜壓方式壓制成 型，壓力為200MPa，保壓aiiin;將壓坯置于真空燒結(jié)爐中，于630°C燒結(jié)池；將燒結(jié)好的樣 品于500°C進(jìn)行擠壓。按對(duì)比例1工藝進(jìn)行擠壓后，擠壓樣品開(kāi)裂較嚴(yán)重，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)熱軋工藝，表明 球磨轉(zhuǎn)速過(guò)高、燒結(jié)溫度過(guò)高不利于該含量樣品的制備，采用冷等靜壓成型方式也不能明 顯改善材料的擠壓性能。實(shí)施例5
將碳化硼含量調(diào)整為5%，過(guò)程控制劑硬脂酸含量調(diào)整為5%，以300rpm/600sec 800rpm/600sec球磨釙；隨后以IOOMPa保壓^iin壓制成型，選擇燒結(jié)溫度為540°C，燒結(jié) 時(shí)間為池；擠壓溫度為480°C，熱軋溫度為460°C進(jìn)行制備。實(shí)施例6
將碳化硼含量調(diào)整為10%，其余條件同實(shí)施例5進(jìn)行。實(shí)施例7
權(quán)利要求
1.一種B4C-Al復(fù)合材料的制備方法，其特征包括以下步驟(1)將碳化硼粉末與鋁合 金粉末采用高能球磨機(jī)進(jìn)行混合；(2)將混合均勻的粉末壓制成型；(3)將步驟(2)中壓制 成型的壓坯在一定溫度下進(jìn)行真空燒結(jié)；(4)將步驟(3)中燒結(jié)好的燒結(jié)坯在一定溫度下 進(jìn)行擠壓；(5)將步驟(4)中擠壓成型的材料在一定溫度下進(jìn)行多次熱軋，獲得B4C-Al復(fù)合 物板材。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-Al復(fù)合材料的制備方法，其特征是步驟(1)中，碳化硼 含量為5% 35%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-Al復(fù)合材料的制備方法，其特征是步驟(1)中，球磨過(guò) 程控制劑為硬脂酸/硬脂酸鋅；過(guò)程控制劑的質(zhì)量為混合物總質(zhì)量的0% 5. 0%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-Al復(fù)合材料的制備方法，其特征是步驟(1)中，球料比 為 5:1 20:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-Al復(fù)合材料的制備方法，其特征是步驟(1)中，球磨 轉(zhuǎn)速在高速與低速之間進(jìn)行交替循環(huán)變化，高速范圍為600rpm 1200rpm，低速范圍為 200rpm 500rpm ；高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速球磨時(shí)間分別為60sec 600sec ；球磨時(shí)間為1小時(shí) 20 小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-Al復(fù)合材料的制備方法，其特征是步驟(2)中，壓制方 式為單向壓制；壓制壓力為20MPa 300MPa ；保壓時(shí)間為30sec 300sec。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-Al復(fù)合材料的制備方法，其特征是步驟(3)中，燒結(jié)溫 度為500°C 600°C ；燒結(jié)過(guò)程真空度為IX KT2Pa lOI^a。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-Al復(fù)合材料的制備方法，其特征是步驟(4)中，擠壓溫 度為 400°C 550°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-Al復(fù)合材料的制備方法，其特征是步驟(5)中，熱軋溫 度為400°C 520°C ；每次熱軋變形量控制在7%以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備B4C-Al復(fù)合材料的方法。其特點(diǎn)包括以下內(nèi)容(1)采用高能球磨方式將一定比例的原料碳化硼粉末與鋁合金粉末混合均勻；(2)將混合均勻的粉末壓制成型；(3)將步驟(2)中壓制成型的壓坯在一定溫度下進(jìn)行燒結(jié)；(4)將步驟(3)中燒結(jié)好的燒結(jié)坯在一定溫度下進(jìn)行擠壓；(5)將步驟(4)中擠壓成型的材料在一定溫度下進(jìn)行多次熱軋，獲得B4C-Al復(fù)合物板材。采用本發(fā)明的制備方法，球磨效率高，制備過(guò)程基本無(wú)原料損失，制備出的B4C-Al復(fù)合物板材具有碳化硼分布均勻，力學(xué)性能良好的特點(diǎn)。有可能應(yīng)用于中子吸收/屏蔽目的。
文檔編號(hào)C22C1/05GK102094132SQ20101060749
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
發(fā)明者周曉松, 張玲, 彭述明, 沈春雷, 石建敏, 雷家榮, 龍興貴 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所