CN107398553B - 一种Al-NpO2弥散芯块的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于辐射防护技术领域，涉及一种Al‑NpO₂弥散芯块的制备方法。所述的制备方法包括如下步骤：1)粉末混合：按质量比1∶(0.25～0.27)∶(0.06～0.18)∶(0.06～0.18)∶(0.06～0.18)将铝粉、NpO₂粉、聚乙二醇粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末混合均匀；2)模压成型：将混合后的粉末置于模具中进行模压成型，脱膜后形成Al‑NpO₂弥散芯块生坯；3)真空烧结：将所得Al‑NpO₂弥散芯块生坯进行真空烧结，制得Al‑NpO₂弥散芯块。用本发明的Al‑NpO₂弥散芯块的制备方法，可以减少制备过程中铝粉的氧化，进一步提高制备得到的Al‑NpO₂的弥散芯体的密度。

Description

一种Al-NpO2弥散芯块的制备方法

技术领域

本发明属于辐射防护技术领域，涉及一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法。

背景技术

Al-NpO₂弥散芯块是用于制备弥散镎靶件的芯体。作为一种较为常用的镎靶件，Al-NpO₂弥散芯块具有导热性能好、包容裂变产物能力强、后处理方便等优点。而且，为了便于反应堆辐照，提高辐照效率，在某些情况下，需要将Al-NpO₂弥散芯块制成环形薄壁结构。当前，制备Al-NpO₂弥散芯块的方法主要有共热挤压法和粉末冶金无压烧结法。

共热挤压法是国外常用的一种方法，其主要包括混料、预压、装管、共热挤压几个步骤，具体流程如下：首先将铝粉与NpO₂粉末均匀混合，再放入模具内100MPa预压；之后将压坯装入铝合金包壳管内，放入共挤压机内加热到610℃，进行热挤压，此时芯块与包壳结合形成靶件。利用共热挤压法制备Al-NpO₂弥散芯块的优点为：可获得接近全致密的弥散芯块；芯块不需机械加工；芯块与铝合金包壳界面实现冶金结合，不存在气隙，有利于传热。但是，共热挤压法制备Al-NpO₂弥散芯块也存在如下难以克服的缺点：当硬脆的NpO₂含量较高时共热挤压难以进行；在610℃以上共热挤压时铝将与NpO₂反应形成热导率较低、脆性很高的NpAl₄金属间化合物和Al₂O₃；制备环形、薄壁芯块的难度较大，设备复杂，废品率较高，生产效率较低。

粉末冶金无压烧结法是本申请人之前自主研发的制备Al-NpO₂弥散芯块的方法。其主要包括铝粉造粒、混料、压制、烧结几个步骤，具体流程如下：首先将铝粉与聚乙烯醇溶液(PVA)混合造粒，得到造粒后铝粉；再将铝粉与NpO₂粉末均匀混合，放入模具内450MPa压制成型；之后将压坯放入真空烧结炉内490℃、10^-2-10^-3Pa的真空条件下烧结1～2h，得到烧结芯块。该方法相对于共热挤压法的优点在于：在常温下冷压成型，烧结温度低于600℃，铝不会与NpO₂反应形成其它相；工艺和设备简单，成品率高，生产效率较高。但此方法依然存在如下的不足：需要对铝粉进行PVA湿法造粒处理，铝粉才能满足压制成型要求，这增加了铝粉被氧化的风险，通过湿法造粒的铝粉，在常温下较难压制；同时，在铝中混合较多的NpO₂粉末也会严重阻碍铝的烧结致密化，这些原因导致难以获得较高密度的Al-20％NpO₂弥散芯块。因此，利用此种方法获得的芯块相对密度最高为92±1％TD，尚存在一定的提升空间。而高密度不但可以提升Al-NpO₂芯块的热导率，还可以提高镎靶件的辐照安全性，从而还可以提升镎靶件中NpO₂的装载量，进而提高辐照同位素生产的经济性。所以，高密度Al-NpO₂弥散芯块的研制具有极其重要的现实意义。

鉴于Al-NpO₂弥散芯块的粉末冶金无压烧结制备方法尚存在上述不足，为了进一步提高Al-NpO₂弥散芯块的性能指标，更好的发挥Al-NpO₂弥散芯块的优势，因此需要在现有的粉末冶金无压烧结制备方法的基础上开发一种新的制备Al-NpO₂弥散芯块的方法，以防止铝粉氧化，进一步提高弥散芯体的密度。

发明内容

本发明的目的是提供一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，以减少制备过程中铝粉的氧化，进一步提高制备得到的Al-NpO₂的弥散芯体的密度。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：

1)粉末混合：按质量比1∶(0.25～0.27)∶(0.06～0.18)∶(0.06～0.18)∶ (0.06～0.18)将铝粉、NpO₂粉、聚乙二醇粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末混合均匀；

2)模压成型：将混合后的粉末置于模具中进行模压成型，脱膜后形成 Al-NpO₂弥散芯块生坯；

3)真空烧结：将所得Al-NpO₂弥散芯块生坯进行真空烧结，制得Al-NpO₂弥散芯块。

本发明的方法中的模压成型采取的是温压工艺。由于铝的塑性非常好，在模压成型时易与模具发生粘连，为解决此问题，本发明在混合粉末中加入硬脂酸粉末和石蜡粉末作为润滑剂，加入PEG粉末作为粘结剂。该温压工艺采用粉末加热、模具加热系统，将混有温压专用润滑剂(即硬脂酸粉末和石蜡粉末)和粘结剂(即聚乙二醇粉末)的混合粉末加热到一定温度(一般 100-150℃)进行压制。利用润滑剂在较高温度下的优异润滑性能降低成型时的阻力和提高成型密度，用传统的烧结方法进行烧结，以获得较高密度的产品。

上述步骤1)的混合过程可在三维运动混合机内完成。

上述步骤2)中得到的Al-NpO₂弥散芯块生坯的外形尺寸可根据脱模后的弹性后效加以控制。

上述步骤3)中得到的Al-NpO₂弥散芯块的外形尺寸可根据收缩率加以控制。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，其中步骤1)中所述的铝粉的平均粒径为10-40μm。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，其中步骤1)中所述的聚乙二醇粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末在混合前过50-150目筛。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，其中步骤1)中所述的聚乙二醇的平均分子量为4000-6000Mw。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，其中步骤1)中先将占铝粉总重量40％～60％的铝粉与NpO₂粉混合均匀，得初混粉末；再在初混粉末中加入剩余的铝粉、聚乙二醇粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末后再次混合均匀，得终混粉末。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，其中步骤2)中模压成型的温度为100-150℃。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，其中步骤2)中模压成型的压力为300-500MPa。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，其中步骤2)中模压成型的时间为4-6min。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，其中步骤3)中真空烧结的温度为480-500℃。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，其中步骤3)中真空烧结的压力为10^-1-10^-2pa。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，其中步骤3)中真空烧结的时间为0.5-1.5h。

本发明的有益效果在于，利用本发明的Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，可以减少制备过程中铝粉的氧化，进一步提高制备得到的Al-NpO₂的弥散芯体的密度，同时可精确控制弥散芯块的尺寸以避免对其进行机械加工。

本发明在高压下模压成型制得Al-NpO₂弥散芯块生坯，其相对密度(TD) 达到96-98％。最后将Al-NpO₂弥散芯块生坯进行真空烧结，在较低温度下，铝与NpO₂不发生反应，制得的Al-NpO₂弥散芯块相对密度(TD)保持在 96-98％。其间，通过脱模后的弹性后效和烧结收缩率可对弥散芯块生坯和弥散芯块的外形尺寸加以控制，因此其尺寸精度高，较好满足了不研磨、直接装管的要求。

本发明的Al-NpO₂弥散芯块的制备方法所采用的设备及操作方法较为简单，成品率高，制得的Al-NpO₂弥散芯块致密度高，外形可为环形薄壁且尺寸精度高，不需要进行机械加工修型。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施例1：Al-NpO₂弥散芯块的制备(一)

采用如下方法制备Al-NpO₂弥散芯块：

1)按质量比1∶0.25∶0.06∶0.06∶0.06将铝粉、NpO₂粉、聚乙二醇粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末混合均匀。其中铝粉平均粒径为20μm(采用激光粒度法测量，激光粒度仪型号为马尔文master2000)，聚乙二醇(平均分子量为 4000Mw)粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末在混合前过50目筛。混合在三维运动混合机(南京焦点机械设备有限公司，VH-5型)内完成，具体步骤为：先将占铝粉总重量40％的铝粉与NpO₂粉混合均匀，得初混粉末；再在初混粉末中加入剩余的铝粉、聚乙二醇粉末(平均分子量为4000Mw)、硬脂酸粉末、石蜡粉末后再次混合均匀，得终混粉末。

2)将混合后的粉末置于模具中进行模压成型，模压成型的温度为100℃，压力为300Mpa，时间为4min。脱膜后形成环型薄壁Al-NpO₂弥散芯块生坯。

3)将所得环型薄壁Al-NpO₂弥散芯块生坯在480℃、10^-1Pa条件下在真空烧结炉内进行真空烧结0.5h，制得环型薄壁Al-NpO₂弥散芯块。

实施例2：Al-NpO₂弥散芯块的制备(二)

采用如下方法制备Al-NpO₂弥散芯块：

1)按质量比(1∶0.26∶0.12∶0.12∶0.12)将铝粉、NpO₂粉、聚乙二醇粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末混合均匀。其中铝粉平均粒径为30μm(采用激光粒度法测量，激光粒度仪型号为马尔文master2000)、聚乙二醇(平均分子量为5000Mw)粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末在混合前过100目筛。混合在三维运动混合机(南京焦点机械设备有限公司，VH-5型)内完成，具体步骤为：先将占铝粉总重量50％的铝粉与NpO₂粉混合均匀，得初混粉末；再在初混粉末中加入剩余的铝粉、聚乙二醇粉末(平均分子量为5000Mw)、硬脂酸粉末、石蜡粉末后再次混合均匀，得终混粉末。

2)将混合后的粉末置于模具中进行模压成型，模压成型的温度为125℃，压力为400Mpa，时间为5min。脱膜后形成环型薄壁Al-NpO₂弥散芯块生坯。

3)将所得环型薄壁Al-NpO₂弥散芯块生坯在490℃、5×10^-2Pa条件下在真空烧结炉内进行真空烧结1h，制得环型薄壁Al-NpO₂弥散芯块。

实施例3：Al-NpO₂弥散芯块的制备(三)

采用如下方法制备Al-NpO₂弥散芯块：

1)按质量比(1∶0.27∶0.18∶0.18∶0.18)将铝粉、NpO₂粉、聚乙二醇粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末混合均匀。其中铝粉平均粒径为40μm(采用激光粒度法测量，激光粒度仪型号为马尔文master2000)、聚乙二醇(平均分子量为6000Mw)粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末在混合前过150目筛。混合在三维运动混合机(南京焦点机械设备有限公司，VH-5型)内完成，具体步骤为：先将占铝粉总重量60％的铝粉与NpO₂粉混合均匀，得初混粉末；再在初混粉末中加入剩余的铝粉、聚乙二醇粉末(平均分子量为6000Mw)、硬脂酸粉末、石蜡粉末后再次混合均匀，得终混粉末。

2)将混合后的粉末置于模具中进行模压成型，模压成型的温度为150℃，压力为500Mpa，时间为6min。脱膜后形成环型薄壁Al-NpO₂弥散芯块生坯。

3)将所得环型薄壁Al-NpO₂弥散芯块生坯在500℃、10^-2pa条件下在真空烧结炉内进行真空烧结1.5h，制得环型薄壁Al-NpO₂弥散芯块。

实施例4：制备得到Al-NpO₂弥散芯块的检测

将如上实施例1-3制备得到的Al-NpO₂弥散芯块进行相对密度、NpO₂含量的检测，结果如下表1所示。其中相对密度定义为弥散芯块真实密度除以弥散芯块理论密度(单位TD)。相对于粉末冶金无压烧结法制备Al-NpO₂芯块密度最高为92±1％TD，本发明制备的Al-NpO₂芯块密度提高到97％TD，经计算芯块的室温热导率提高近30％，可较大幅度提高芯块在堆内辐照时的热量传导，提高靶件的安全性能。

表1实施例1-3制备得到的Al-NpO₂弥散芯块的检测结果

上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种Al-NpO₂弥散芯块的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：

1)粉末混合：按质量比1∶(0.25～0.27)∶(0.06～0.18)∶(0.06～0.18)∶(0.06～0.18)将铝粉、NpO₂粉、聚乙二醇粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末混合均匀；

2)模压成型：将混合后的粉末置于模具中进行模压成型，脱膜后形成Al-NpO₂弥散芯块生坯；

3)真空烧结：将所得Al-NpO₂弥散芯块生坯进行真空烧结，制得Al-NpO₂弥散芯块。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的铝粉的平均粒径为10-40μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的聚乙二醇粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末在混合前过50-150目筛。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中先将占铝粉总重量40％～60％的铝粉与NpO₂粉混合均匀，得初混粉末；再在初混粉末中加入剩余的铝粉、聚乙二醇粉末、硬脂酸粉末、石蜡粉末后再次混合均匀，得终混粉末。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中模压成型的温度为100-150℃。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中模压成型的压力为300-500MPa。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中模压成型的时间为4-6min。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中真空烧结的温度为480-500℃。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中真空烧结的压力为10^-1-10^{- 2}Pa。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中真空烧结的时间为0.5-1.5h。