CN103911610A - 一种屏蔽型铝基复合板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种屏蔽型铝基复合板的制备方法，是针对铝存在力学性能弱的弊端，采用掺杂增强增韧中子吸收材料，并与铝合金粉混合，经在热压成型机上压制、辊轧机上轧制，制成屏蔽型铝基复合板，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，制备的屏蔽型铝基复合板抗拉强度可达270MPa，抗腐蚀性能可提高50%，核防护屏蔽中子吸收性能≥92%，可做核防护的中子吸收材料使用，是十分理想的制备屏蔽型铝基复合板的方法。

Description

一种屏蔽型铝基复合板的制备方法

技术领域

本发明涉及一种屏蔽型铝基复合板的制备方法，属有色金属制备及应用的技术领域。

背景技术

有色金属铝是最常用的金属结构材料，常用于核电、航空航天、电子光学仪器、汽车等工业领域。

铝由于比重轻，导电导热性较好、无磁性、易于加工，常在工业和民用产品中选用；但由于铝的强度、硬度低，耐腐蚀性差，使铝的应用受到了很大的局限。

为了提高铝的力学性能，常将铝与其他金属物质混合，制成铝合金，以扩大铝的使用范围。

对于铝的特殊应用，例如核电站的屏蔽防护，必须对铝进行特殊制备，选用优良的中子吸收屏蔽材料才能满足核防护的需要。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对铝的特殊应用，采用碳化硼为中子吸收剂、碳纤维为增强增韧剂，与铝合金粉混合，热压轧制成铝基复合板，以增强铝基复合材料的强度和韧性，增强中子吸收效率，以适应核防护屏蔽的需要。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：铝合金板、铝合金粉、碳化硼粉、碳纤维、硅粉、镁粉、氟钛酸钾粉、石墨纸、砂纸，其组合准备用量如下：以克、毫米为计量单位

铝合金板：6061Al  2块                    90mm×1.5mm×90mm 

铝合金粉：6061Al                             130g±0.01g 

碳化硼粉：B₄C                                60 g±0.01g

碳纤维：C   Φ0.008mm×2mm                 2g±0.01g

硅粉：Si                                     2g±0.01g

镁粉：Mg                                    2g±0.01g

氟钛酸钾粉：K₂TiF₆                                           4g±0.01g

石墨纸：C    2块                        90mm×2mm×90mm

砂纸：400目  2张                    300mm×0.5mm×200mm

制备方法如下：

（1）制备开合式模具

开合式模具用不锈钢材料制作，模具型腔表面粗糙度为Ra 0.08-0.16μm；

（2）除湿处理铝合金粉

将铝合金粉置于石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度100℃，干燥时间15min；

（3）预氧化处理碳化硼粉

将碳化硼粉置于石英容器中，然后置于加热炉中进行预氧化处理，预氧化温度450℃，预氧化时间30min；

（4）除胶处理碳纤维

将碳纤维置于石英容器中，然后置于加热炉中，进行除胶处理，处理温度为420℃，处理时间20min；

（5）配料

称取铝合金粉130g±0.01g、碳化硼粉 60g±0.01g、硅粉2g±0.01g、镁粉2g±0.01g、氟钛酸钾粉4g±0.01g、碳纤维2g±0.01g，置于球磨罐中，并密闭；

铝合金粉：碳化硼粉：硅粉：镁粉：氟钛酸钾粉：碳纤维= 65:30:1:1:2:1；

（6）球磨、过筛

将球磨罐置于球磨机上，进行球磨，球磨转速1500r/min；

球磨后用400目筛网过筛，球磨、过筛重复进行，球磨后成六元混合细粉，混合细粉颗粒直径≤0.038mm；

（7）预处理铝合金板

将铝合金板置于钢质平板上，用砂纸打磨周边及平面部，使其洁净；

（8）高温热压成型铝基复合板

铝基复合板的高温热压成型是在热压成型机上进行的，是在加热、真空、施压、外水循环冷却过程中完成的；

①打开热压成型机，将开合式模具垂直置于机内的电阻加热工作台上；

② 组装，在开合式模具内置放模具下垫块，在模具下垫块上部置放石墨

纸，在石墨纸上部置放铝合金板，在铝合金板上部均匀置放六元混合细粉，在六元混合细粉上部置放铝合金板，在铝合金板上部置放石墨纸，在石墨纸上部置放模具上垫块，在模具上垫块上部由上压块垂直压住，上压块上部连接压力电机；

③关闭热压成型机，并密闭；

④开启真空泵，抽取机内空气，使机内压强达1Pa；

⑤开启机内电阻加热工作台的加热器，加热温度500℃±2℃；

⑥开启压力电机，通过上压块对开合式模具内的铝合金板、六元混合细粉施压，施压压强30MPa；

⑦加热、施压同时进行，加热、施压时间30min， 

⑧然后继续升温、加压，加热温度630℃±2℃，施压压强60MPa，加热、施压同时进行，加热、施压时间50min； 

⑨加热、施压后，停止加热、施压，使其随热压成型机冷却至100℃；

⑩开启热压成型机，取出开合式模具及其内的铝基复合板，使其在空气中自然冷却至25℃；

（9）开模

冷却后，开启开合式模具，取出热压成型后的铝基复合板；

（10）加热，轧制

①将铝基复合板置于加热炉中加热，加热温度500℃±2℃，加热时间 30 min；

②将加热后的铝基复合板置于立式辊轧机上，在上下轧辊的作用下，轧制3道次，轧制后厚度为3.5mm、宽度为95mm、长度为360mm，成屏蔽型铝基复合板；

（11）热处理

将轧制后的屏蔽型铝基复合板置于热处理炉中进行固溶处理，固溶加热温度为510℃，固溶时间120min；之后在水温25℃下进行水淬；最后在加热温度为185℃进行时效处理，时效时间540min；

（12）打磨、砂光处理

将轧制的屏蔽型铝基复合板置于钢质平板上，用砂纸打磨周边及表面，使其洁净；

（13）检测、分析、表征

对制备的屏蔽型铝基复合板的形貌、色泽、化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征；

用扫描电镜仪进行微观组织分析；

用万能拉伸试验仪进行拉伸性能分析；

结论：屏蔽型铝基复合板为银灰色板形，外部为铝合金板，内部为六元混合细粉成型板，内外结合致密性好，为一整体，抗拉强度达270MPa，抗腐蚀性能提高50%，核防护屏蔽中子吸收性能≥92%；

（14）储存

对制备的屏蔽型铝基复合板用软质材料包装，储存于洁净、干燥环境，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，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，是针对铝存在力学性能弱的弊端，采用掺杂增强增韧中子吸收材料，并与铝合金粉混合，经在热压成型机上压制、辊轧机上轧制，制成屏蔽型铝合金板，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，制备的屏蔽型铝基复合板抗拉强度可达270MPa，抗腐蚀性能可提高50%，核防护屏蔽中子吸收性能≥92%，可做核防护的中子吸收材料使用，是十分理想的制备屏蔽型铝基复合板的方法。

附图说明

图1、屏蔽型铝基复合板热压成型状态图

图2、屏蔽型铝基复合板轧制状态图

图3、屏蔽型铝基复合板横切面形貌图

图4、屏蔽型铝基复合板线扫描图谱

图5、屏蔽型铝基复合板应力-应变曲线图

图6、屏蔽型铝基复合板拉伸断口形貌图

图中所示、附图标记清单如下：

1、热压成型机，2、底座，3、顶座，4、电阻加热工作台，5、压力机压块，6、压力电机，7、真空泵，8、真空管，9、外水循环冷却管，10、开合式模具，11、开合架，12、模具下垫块，13、第一石墨纸，14、第一铝合金板，15、六元混合细粉，16、第二铝合金板，17、第二石墨纸，18、模具上压块，19、外水循环进水阀，20、外水循环出水阀，21、导线，22、电控箱，23、液晶显示屏，24、指示灯，25、电源开关，26、压力电机控制器，27、电阻加热控制器，28、真空泵控制器，29、机腔，30、辊轧机，31、左立柱，32、右立柱，33、辊轧机顶座，34、上轧辊转动机构，35、上轧辊架，36、上轧辊，37、下轧辊转动机构，38、下轧辊架，39、下轧辊，40、屏蔽型铝基合金板，41、辊轧机显示屏，42、辊轧机指示灯，43、辊轧机电源开关，44、上轧辊控制器，45、下轧辊控制器。

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，为屏蔽型铝合金复合板热压成型状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。

屏蔽型铝基复合板的热压成型是在热压成型机上进行的，是在加热、真空、施压、外水循环冷却过程中完成的；

热压成型机为立式，热压成型机1下部为底座2、上部为顶座3、内部为机腔29；在热压成型机1的外部由外水循环冷却管9环绕，并由外水循环进水阀19、外水循环出水阀20调控；在机腔29内底部设有电阻加热工作台4，在电阻加热工作台4上部垂直置放开合式模具10，并由开合架11固定；在开合式模具10内底部置放模具下垫块12，在模具下垫块12上部置放第一石墨纸13，在第一石墨纸13上部置放第一铝合金板14，在第一铝合金板14上部均匀置放六元混合细粉15，在六元混合细粉15上部置放第二铝合金板16，在第二铝合金板16上部置放第二石墨纸17，在第二石墨纸17上部置放模具上压块18，模具上压块18上部由压力机压块5压牢，压力机压块5上部与顶座3上的压力电机6连接；在热压成型机1的右下部设有真空泵7，真空泵7通过真空管7与机腔29连通；在热压成型机1的左部设有电控箱22，在电控箱22上设有液晶显示屏23、指示灯24、电源开关25、压力电机控制器26、电阻加热控制器27、真空泵控制器28，电控箱22通过导线21与压力电机6、电阻加热工作台4、真空泵7连接。

图2所示，为屏蔽型铝合金板轧制状态图，各部位置、连接关系、辊轧方向要正确，按序操作。

辊轧机为立式，在辊轧机30的左部为左立柱31、右部为右立柱32、上部为轧辊机顶座33；在辊轧机顶座33的下部连接上轧辊转动机构34，上轧辊转动机构34通过上轧辊架35连接上轧辊36；在辊轧机30中间位置设有下轧辊转动机构37，下轧辊转动机构37通过下轧辊架38连接下轧辊39；上轧辊36的转动方向为逆时针转动，下轧辊39的转动方向为顺时针转动，屏蔽型铝基复合板40由左至右进入上轧辊36、下轧辊39之间，进行第一、第二、第三道次轧制；在辊轧机30下部设有辊轧机显示屏41、辊轧机指示灯42、上轧辊控制器44、下轧辊控制器45。

图3所示,为屏蔽型铝基复合板横切面形貌图，图中所示：屏蔽型铝基复合板为层状，上下表层为铝合金层，中间为六元混合细粉压制的合金层。B₄C分布在基体中间，圆棒状碳纤维均匀分布，未出现团聚、裂纹和气孔缺陷。

图4所示,为屏蔽型铝基复合板线扫描图谱，图中所示：从材料的上表层线扫描至板材的下表层，材料中Al、B、C、Ti、Si、Mg元素存在，与所加的六元混合粉相吻合。

图5所示,为屏蔽型铝基复合板应力-应变曲线图，图中所示：为与轧制方向平行、与轧制方向成45°、与轧制方向垂直的三条应力-应变曲线，材料三个方向的抗拉强度≥270MPa。

图6所示，为屏蔽型铝基复合板拉伸断口形貌图，图中所示：B₄C和碳纤维均匀的分布在基体中间，断口处露出B₄C颗粒和圆棒状碳纤维。

Claims (3)

1.一种屏蔽型铝基复合板的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：铝合金板、铝合金粉、碳化硼粉、碳纤维、硅粉、镁粉、氟钛酸钾粉、石墨纸、砂纸，其组合准备用量如下：以克、毫米为计量单位

铝合金板：6061Al  2块                    90mm×90mm×1.5mm

铝合金粉：6061Al                             130g±0.02g 

碳化硼粉：B₄C                                60 g±0.02g

碳纤维：C   Φ0.008mm×2mm                 2g±0.01g

硅粉：Si                                     2g±0.01g

镁粉：Mg                                    2g±0.01g

氟钛酸钾粉：K₂TiF₆                                           4g±0.01g

石墨纸：C    2块                          90mm×90mm×2mm

砂纸：400目  2张                      300mm×200mm×0.5mm

制备方法如下：

（1）制备开合式模具

开合式模具用不锈钢材料制作，模具型腔表面粗糙度为Ra 0.08-0.16μm；

（2）除湿处理铝合金粉

将铝合金粉置于石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度100℃，干燥时间15min；

（3）预氧化处理碳化硼粉

将碳化硼粉置于石英容器中，然后置于加热炉中进行预氧化处理，预氧化温度450℃，预氧化时间30min；

（4）除胶处理碳纤维

将碳纤维置于石英容器中，然后置于加热炉中，进行除胶处理，处理温度为420℃，处理时间20min；

（5）配料

称取铝合金粉130g±0.01g、碳化硼粉 60g±0.01g、硅粉2g±0.01g、镁粉2g±0.01g、氟钛酸钾粉4g±0.01g、碳纤维2g±0.01g置于球磨罐中，并密闭；

铝合金粉：碳化硼粉：硅粉：镁粉：氟钛酸钾粉：碳纤维= 65:30:1:1:2:1；

（6）球磨、过筛

将球磨罐置于球磨机上，进行球磨，球磨转速1500r/min；

球磨后用400目筛网过筛，球磨、过筛重复进行，球磨后成六元混合细粉，混合细粉颗粒直径≤0.038mm；

（7）预处理铝合金板

将铝合金板置于钢质平板上，用砂纸打磨周边及平面部，使其洁净；

（8）高温热压成型铝基复合板

铝基复合板的高温热压成型是在热压成型机上进行的，是在加热、真空、施压、外水循环冷却过程中完成的；

①打开热压成型机，将开合式模具垂直置于机内的电阻加热工作台上；

② 组装，在开合式模具内置放模具下垫块，在模具下垫块上部置放石墨

纸，在石墨纸上部置放铝合金板，在铝合金板上部均匀置放六元混合细粉，在六元混合细粉上部置放铝合金板，在铝合金板上部置放石墨纸，在石墨纸上部置放模具上垫块，在模具上垫块上部由上压块垂直压住，上压块上部连接压力电机；

③关闭热压成型机，并密闭；

④开启真空泵，抽取机内空气，使机内压强达1Pa；

⑤开启机内电阻加热工作台的加热器，加热温度500℃±2℃；

⑥开启压力电机，通过上压块对开合式模具内的铝合金板、六元混合细粉施压，施压压强30MPa；

⑦加热、施压同时进行，加热、施压时间30min， 

⑧然后继续升温、加压，加热温度630℃±2℃，施压压强60MPa，加热、施压同时进行，加热、施压时间50min； 

⑨加热、施压后，停止加热、施压，使其随热压成型机冷却至100℃；

⑩开启热压成型机，取出开合式模具及其内的铝基复合板，使其在空气中自然冷却至25℃；

（9）开模

冷却后，开启开合式模具，取出热压成型后的铝基复合板；

（10）加热，轧制

①将铝基复合板置于加热炉中加热，加热温度500℃±2℃，加热时间 30 min；

②将加热后的铝基复合板置于立式辊轧机上，在上下轧辊的作用下，轧制3道次，轧制后厚度为3.5mm、宽度为95mm、长度为360mm，成屏蔽型铝基复合板；

（11）热处理

将轧制后的屏蔽型铝基复合板置于热处理炉中进行固溶处理，固溶加热温度为510℃，固溶时间120min；之后在水温25℃下进行水淬；最后在加热温度为185℃进行时效处理，时效时间540min；

（12）打磨、砂光处理

将轧制的屏蔽型铝基复合板置于钢质平板上，用砂纸打磨周边及表面，使其洁净；

（13）检测、分析、表征

对制备的屏蔽型铝基复合板的形貌、色泽、化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征；

用扫描电镜仪进行微观组织分析；

用万能拉伸试验仪进行拉伸性能分析；

结论：屏蔽型铝基复合板为银灰色板形，外部为铝合金板，内部为六元混合细粉成型板，内外结合致密性好，为一整体，抗拉强度达270MPa，抗腐蚀性能提高50%，核防护屏蔽中子吸收性能≥92%；

（14）储存

对制备的屏蔽型铝基复合板用软质材料包装，储存于洁净、干燥环境，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10%。

2.根据权利要求1所述的一种屏蔽型铝基复合板的制备方法，其特征在于：屏蔽型铝基复合板的热压成型是在热压成型机上进行的，是在加热、真空、施压、外水循环冷却过程中完成的；

热压成型机为立式，热压成型机（1）下部为底座（2）、上部为顶座（3）、内部为机腔（29）；在热压成型机（1）的外部由外水循环冷却管（9）环绕，并由外水循环进水阀（19）、外水循环出水阀（20）调控；在机腔（29）内底部设有电阻加热工作台（4），在电阻加热工作台（4）上部垂直置放开合式模具（10），并由开合架（11）固定；在开合式模具（10）内底部置放模具下垫块（12），在模具下垫块（12）上部置放第一石墨纸（13），在第一石墨纸（13）上部置放第一铝合金板（14），在第一铝合金板（14）上部均匀置放六元混合细粉（15），在六元混合细粉（15）上部置放第二铝合金板（16），在第二铝合金板（16）上部置放第二石墨纸（17），在第二石墨纸（17）上部置放模具上压块（18），模具上压块（18）上部由压力机压块（5）压牢，压力机压块（5）上部与顶座（3）上的压力电机（6）连接；在热压成型机（1）的右下部设有真空泵（7），真空泵（7）通过真空管（7）与机腔（29）连通；在热压成型机（1）的左部设有电控箱（22），在电控箱（22）上设有液晶显示屏（23）、指示灯（24）、电源开关（25）、压力电机控制器（26）、电阻加热控制器（27）、真空泵控制器（28），电控箱（22）通过导线（21）与压力电机（6）、电阻加热工作台（4）、真空泵连接（7）。

3.根据权利要求1所述的一种屏蔽型铝基复合板的制备方法，其特征在于： 所述的屏蔽型铝基复合板的轧制是在辊轧机上进行的，辊轧机为立式，在辊轧机（30）的左部为左立柱（31）、右部为右立柱（32）、上部为轧辊机顶座（33）；在辊轧机顶座（33）的下部连接上轧辊转动机构（34），上轧辊转动机构（34）通过上轧辊架（35）连接上轧辊（36）；在辊轧机（30）中间位置设有下轧辊转动机构（37），下轧辊转动机构（37）通过下轧辊架（38）连接下轧辊（39）；上轧辊（36）的转动方向为逆时针转动，下轧辊（39）的转动方向为顺时针转动，屏蔽型铝基复合板（40）由左至右进入上轧辊（36）、下轧辊（39）之间，进行第一、第二、第三道次轧制；在辊轧机（30）下部设有辊轧机显示屏（41）、辊轧机指示灯（42）、上轧辊控制器（44）、下轧辊控制器（45）。