CN104694859B - 一种乏燃料贮存用大尺寸b4c/铝合金复合材料板材的热轧制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，目的在于解决目前国内的碳化硼/铝复合材料主要针对乏燃料运输容器吊篮而开发，而乏燃料贮存格架用碳化硼/铝复合材料处于起步阶段，无法自主生产、制作的问题。本发明提供一种用于碳化硼/铝复合材料的变温去应力退火技术，通过预处理、加热处理、热轧各步骤之间的相互配合，可实现大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的制备。采用本发明制备的B4C/铝合金复合材料板材具有表面质量好、力学性能优异的优点，且产品的相对密度大于85%，适于用作核反应堆乏燃料贮存格架和运输容器中的中子吸收材料，以控制乏燃料的临界安全，对于相关产业的国产化应用具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及复合屏蔽材料制备领域，具体为一种乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，该方法制备的B4C/铝合金复合材料能够用于核反应堆、乏燃料组件贮存、放射性物质贮运等核辐射场所，具有较好的应用前景。
背景技术
碳化硼/铝复合材料作为贮存格架的中子吸收材料，可用于乏燃料贮存水池的使用环境中，并包覆不锈钢材料。其在硼酸水池中的各项性能稳定，且具有优异的中子吸收性能。目前，该材料已应用于三代核电AP-1000核电技术乏燃料贮存格架中。
B4C颗粒增强铝基复合材料中，要求B4C含量较高（如B4C的质量百分比大于20%，才能满足中子吸收性能的要求），而此时碳化硼/铝复合材料的塑性极差（仅为1%左右），导致其后续板材轧制较为困难。
目前，我国的核电站格架用B4C颗粒增强铝基复合材料中子吸收板材仍然全部采用进口（美国HTC公司、加拿大Ceradyne公司）。而我国国内对碳化硼/铝复合材料虽有所研究，但多是针对乏燃料运输容器吊篮而开发的，乏燃料贮存格架用碳化硼/铝复合材料仍处于起步阶段，还未自主生产制造应用。这在一定程度上，限制了我国产业的发展。
为此，本发明提供一种乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对目前国内的碳化硼/铝复合材料主要针对乏燃料运输容器吊篮而开发，而乏燃料贮存格架用碳化硼/铝复合材料处于起步阶段，无法自主生产、制作的问题，提供一种乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法。本发明提供一种用于碳化硼/铝复合材料的变温去应力退火技术，通过控制轧制工艺（轧制温度、道次变形量、总变形量等），可实现大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的制备。采用本发明制备的B4C/铝合金复合材料板材具有表面质量好、力学性能优异的优点，且产品的相对密度大于85%，适于用作核反应堆乏燃料贮存格架和运输容器中的中子吸收材料，以控制乏燃料的临界安全。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，包括如下步骤：
（1）预处理：取B4C/铝合金复合材料致密坯料，将坯料表面加工平直；
（2）加热处理：取步骤1加工平直后的坯料加热至350℃~580℃，加热时间为10min~60min，再保温10min~120min，至坯料受热均匀；
（3）热轧：将步骤2受热均匀后的坯料依次进行热轧、热轧后退火处理，重复热轧、退火处理过程，直到达到所需尺寸，即得产品；
所述步骤3中，轧制温度为350℃~580℃，道次变形量为3%~30%；
热轧后进行退火处理，退火温度较热轧温度提升0℃~150℃，保温10~100min。
所述步骤1中，B4C/铝合金复合材料致密坯料中，B4C的质量百分比为10%~50%。
所述步骤1中，铝合金为1XXX、2XXX、3XXX、4XXX、5XXX、6XXX、7XXX系列铝合金中的一种或多种。
所述步骤3中，总变形量为50%~95%。
所述步骤1中，采用机械加工方式将坯料表面加工平直。
所述机械加工方式为刨、铣中的一种或多种。
所述步骤2中，采用箱式电阻炉进行加热。
所述步骤2中，将坯料的厚度记为d，d≤10mm时，保温时间为5min ~30min；10mm＜d≤20mm时，保温时间为10 ~40min；20mm＜d≤35mm时，保温时间为15~60min；20mm＜d≤35mm时，保温时间为20~80min；35mm＜d≤60mm时，保温时间为30~120min。
所述步骤3中，产品的长度为500mm~1500mm，宽度为100mm~600mm，厚度为1mm~10mm。
热轧后进行退火处理，退火温度较热轧温度提升20℃~60℃，保温20~50min。
针对前述问题，本发明提供一种乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法。本发明中，首先采用刨、铣等机械加工方式将坯料表面加工平直，加工平面度达到十二级以上。然后，对加工平直后的坯料进行加热处理，加热至350℃~580℃，加热时间为10min~60min，再保温10min~120min，至坯料受热均匀。该步骤中，保温时间为10min~120min，根据样品厚度可以进行调整；将坯料的厚度记为d，d≤10mm时，保温时间为5min ~30min；10mm＜d≤20mm时，保温时间为10 ~40min；20mm＜d≤35mm时，保温时间为15~60min；20mm＜d≤35mm时，保温时间为20~80min；35mm＜d≤60mm时，保温时间为30~120min，至坯料受热均匀。本发明采用短时加热保温，能在保证样品充分受热的同时，尽量减少界面反应。坯料经受热均匀后，依次进行热轧、热轧后退火处理，重复热轧、退火处理过程若干次，直到达到所需尺寸，即得产品。该过程中，热轧后进行退火处理，退火温度较热轧温度提升0℃~150℃，保温10~100min。
本发明中，铝合金可以为1XXX、2XXX、3XXX、4XXX、5XXX、6XXX、7XXX系列铝合金中的一种或多种，B4C的质量百分比为10%~50%。如背景技术所述，当B4C含量较高时，后续板材轧制较为困难，而本发明通过各步骤之间的相互配合，有效解决了这一问题。
综上，本发明提供一种乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，该方法以B4C/铝合金复合材料致密板为坯料，首先将坯料在空气炉中短时加热保温，以控制界面反应，再采用小变形量多道次轧制，每道次轧制后进行变温去应力退火，以实现减少上道次板坯轧制应力，提高复合材料板坯塑性，获得大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的目的。本发明采用变温去应力退火轧制技术制备B4C/铝合金复合材料板材，该板材具有表面质量好、力学性能优异的优点，同时，B4C分布均匀且与Al界面结合紧密，产品的相对密度大于85%，可用作核反应堆乏燃料贮存格架和运输容器中的中子吸收材料，对于相关产业的国产化应用具有重要的意义。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
准备B4C/铝合金复合材料坯料，样品厚度为40mm，致密度为95%，B4C含量为20wt%（即该坯料中，B4C的质量百分比为20%），铝合金为1060合金。将坯料铣至平面度优于十二级后，放于箱式电阻炉中加热保温，加热温度为580℃，加热时间为60min，保温时间为120min。将保温后的坯料进行热轧，热轧温度为580℃，道次变形量为30%，总变形量为95%。每道次之间，进行去应力退火后再进行热轧，退火温度为580℃，保温时间60min。
经测定，本实施例热轧后的样品表面无明显裂纹，致密度提高至99.4%，B4C颗粒仍分布均匀，无聚集、破碎现象，板材的力学性能较好，抗拉强度为185~227MPa。
实施例2
准备B4C/铝合金复合材料坯料，样品厚度为30mm，致密度为85%，B4C含量为10wt%，铝合金为7075合金。将坯料铣至平面度优于十二级后，放于箱式电阻炉中加热保温，加热温度为500℃，加热时间为30min，保温时间为75min。将保温后的坯料进行热轧、热轧后退火处理，重复热轧、退火处理过程，直到达到所需尺寸，即得产品。其中，热轧温度为450℃，道次变形量为15%，总变形量为80%；每道次之间，进行变温去应力退火，首先将其在500℃保温20min，完成退火过程，再在450℃保温20min后进行热轧。
经测定，本实施例热轧后的样品表面无明显裂纹，致密度提高至98.3%，B4C颗粒仍分布均匀，无聚集、破碎现象，板材的力学性能较好，抗拉强度为332~354MPa。
实施例3
准备B4C/铝合金复合材料坯料，样品厚度为22mm，致密度为100%，B4C含量为31wt%，铝合金为1060合金。将坯料铣至平面度优于十二级后，放于箱式电阻炉中加热保温，加热温度为350℃，加热时间为10min，保温时间为60min。将保温后的坯料进行热轧，热轧温度为350℃，道次变形量为3%，总变形量为86.3%。每道次之间，进行去应力退火后再进行热轧，退火温度为350℃，保温时间为15min。将得到的产品进行测试。
经测定，本实施例热轧后的样品表面无明显裂纹，致密度为100%，B4C颗粒仍分布均匀，无聚集、破碎现象，板材的力学性能较好，抗拉强度为275~310MPa。
实施例4
准备B4C/铝合金复合材料坯料，样品厚度为15mm，致密度为100%，B4C含量为25wt%，铝合金为6061合金。将坯料铣至平面度优于十二级后，放于箱式电阻炉中加热保温，加热温度为450℃，加热时间为25min，保温时间为45min。将保温后的坯料进行热轧，热轧温度为420℃，道次变形量为8%，总变形量为70%。每道次之间，进行变温去应力退火，将其在570℃保温10min，再在420℃保温10min后，进行热轧。将得到的产品进行测试。
经测定，本实施例热轧后的样品表面无明显裂纹，致密度为100%，B4C颗粒仍分布均匀，无聚集、破碎现象，板材的力学性能较好，抗拉强度为328~350MPa。
实施例5
准备B4C/铝合金复合材料坯料，样品厚度为8mm，致密度为100%，B4C含量为20wt%，铝合金为6061合金。将坯料铣至平面度优于十二级后，放于箱式电阻炉中加热保温，加热温度为400℃，加热时间为10min，保温时间为10min。将保温后的坯料进行热轧，热轧温度为400℃，道次变形量为15%，总变形量为70%。每道次之间，进行变温去应力退火，将其在450℃保温10min，再在400℃保温10min后进行热轧。将得到的产品进行测试。
经测定，本实施例热轧后的样品表面无明显裂纹，致密度为100%，B4C颗粒仍分布均匀，无聚集、破碎现象，板材的力学性能较好，抗拉强度为346~378MPa。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (9)
1.一种乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）预处理：取乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料致密坯料，将坯料表面加工平直；
（2）加热处理：取步骤（1）加工平直后的坯料加热至350℃~580℃，加热时间为10min~60min，再保温10min~120min，至坯料受热均匀；
（3）热轧：将步骤（2）受热均匀后的坯料依次进行热轧、热轧后退火处理，重复热轧、退火处理过程，直到达到所需尺寸，即得产品；
所述步骤（3）中，轧制温度为350℃~580℃，道次变形量为3%~30%；
所述步骤（1）中，B4C/铝合金复合材料致密坯料中，B4C的质量百分比为10%~50%；
热轧后进行退火处理，退火温度较热轧温度提升0℃~150℃，保温10~100min。
2.根据权利要求1所述乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，铝合金为1XXX、2XXX、3XXX、4XXX、5XXX、6XXX、7XXX系列铝合金中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，总变形量为50%~95%。
4.根据权利要求1所述乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，采用机械加工方式将坯料表面加工平直。
5.根据权利要求4所述乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，其特征在于，所述机械加工方式为刨、铣中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，采用箱式电阻炉进行加热。
7.根据权利要求1-6任一项所述乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，产品的长度为500mm~1500mm，宽度为100mm~600mm，厚度为1mm~10mm。
8.根据权利要求1-6任一项所述乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，其特征在于，热轧后进行退火处理，退火温度较热轧温度提升20℃~60℃，保温20~50min。
9.在根据权利要求8所述乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，产品的长度为500mm~1500mm，宽度为100mm~600mm，厚度为1mm~10mm。
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