CN108994307B - 一种乏燃料贮存用B4C/Al复合材料板材边缘柔性约束轧制方法 - Google Patents

一种乏燃料贮存用B4C/Al复合材料板材边缘柔性约束轧制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种乏燃料贮存用B4C/Al复合材料板材边缘柔性约束轧制方法，目的在于解决B4C/Al复合材料的塑性和韧性较差，在轧制过程中，边缘极易开裂、崩边，使得材料利用率降低，生产成本升高，且使得道次变形量较小，生产效率受到制约的问题。本发明中，复合材料冷压坯与其侧面的铝合金条在温度和压力的共同作用下，能实现冶金结合，在轧制变形过程中，坯料边缘始终处于侧面夹铝合金的柔性约束作用下，边缘拉应力大幅减小，从而减轻边缘开裂、崩边问题，也使得后续需切割部分减少，极大提高材料利用率。经测定，本发明能有效减轻板材边缘开裂、崩边的问题，具有显著的效果，对于乏燃料贮存用B4C/Al复合材料板材的国产化、工业化应用，具有重要的现实意义。

Description

一种乏燃料贮存用B4C/Al复合材料板材边缘柔性约束轧制 方法
技术领域
本发明涉及材料制备领域，尤其是B4C/Al复合材料轧制领域，具体为一种乏燃料贮存用B4C/Al复合材料板材边缘柔性约束轧制方法。
背景技术
随着我国核电事业的快速发展，核反应堆中卸出的乏燃料数量也急剧增长。然而，目前乏燃料处理技术并不成熟，因此，伴随核电发展过程中产生的乏燃料累积量将远远超过乏燃料的后处理能力，乏燃料的后处理将是一个长期而艰巨的任务。乏燃料从堆芯卸出后，要先在堆内进行贮存，待其短寿命核素衰变一定时间后，再送去后处理，或直接在地质库中贮存，而乏燃料的贮存和转运都需要良好的中子屏蔽材料作为保护。
B4C/Al复合材料具有优异的中子屏蔽性能，且在硼酸水池中的各项性能稳定，因而用其制成的板材在乏燃料贮存格架中已取得了良好的应用效果。目前，这种材料已被应用于三代核电AP-1000核电技术乏燃料贮存格架中。
目前，乏燃料贮存用B4C/Al复合材料板材尚未实现国产化，主要依赖国外进口。国内关于中子屏蔽B4C/Al复合材料大部分停留于材料研究阶段，且针对乏燃料贮存用板材的工程化研制还较少。
由于B4C/Al复合材料中硬质脆性B4C颗粒的存在，提高了材料硬度，但也显著降低了材料的塑性和韧性，这给复合材料板材轧制带来了很高的难度。更具体地，B4C/Al复合材料整体呈脆性，在轧制过程中，边缘极易开裂，甚至崩边。板材的最终成型需切割掉开裂部分，由于边缘开裂、崩边的情况造成材料利用率低，不利于降低生产成本。另外，为了保持轧制出板材表面质量，轧制的道次变形量都很小，因此，需要花费更多的轧制变形道次来实现板材厚度的要求，极大制约了板材生产效率的提高。
为此，迫切需要设计一种新复合次材料坯料结构，减轻其在轧制过程中边缘开裂的现象，增加道次变形量进而减少道次数量，从而提高生产效率和原料利用率。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对B4C/Al复合材料的塑性和韧性较差，在轧制过程中，边缘极易开裂，甚至崩边，使得材料利用率降低，生产成本升高，且使得道次变形量较小，生产效率受到制约的问题，提供一种乏燃料贮存用B4C/Al复合材料板材边缘柔性约束轧制方法。本发明中，复合材料冷压坯与其侧面的铝合金条在温度和压力的共同作用下，能够实现冶金结合，在轧制变形过程中，坯料边缘始终处于侧面夹铝合金的柔性约束作用下，边缘拉应力大幅减小，从而减轻边缘开裂、崩边现象，也使得后续需切割部分减少，极大提高材料利用率。经实际测定，本发明有效减轻了板材边缘开裂、崩边的问题，具有显著的效果，对于乏燃料贮存用B4C/Al复合材料板材的国产化、工业化应用，具有重要的现实意义。
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B4C/Al复合材料板材边缘柔性约束轧制方法，包括如下步骤：
（1）冷压坯制备
按B4C/Al复合材料设计配比分别称取组分，并将称取的组合混合均匀，再将混合物进行冷等静压，制备出复合材料冷压坯；
（2）包套内装配
将步骤1制备的复合材料冷压坯装配进包套中，并在冷压坯侧边与包套之间设置铝合金条，得到夹铝层状结构；
（3）热等静压
将夹铝层状结构装入热等静压炉中进行热等静压，得到侧面夹铝的复合材料坯料，其中，热等静压温度为复合材料基体合金固相线以上0—30℃，压强为10—50MPa，保温时间为5—30min；
（4）坯料预处理
将步骤3制备的侧面夹铝的复合材料坯料加工平直；
（5）轧制
将加工平直的侧面夹铝的复合材料坯料进行热轧，轧制温度为300—500℃，道次之间进行去应力退火，最终轧至板材所需厚度，即可。
所述步骤2中，所述复合材料冷压坯中相平行的两个冷压坯侧边与包套之间分别设置有铝合金条。
所述步骤4中，采用机械加工方式将侧面夹铝的复合材料坯料加工平直。
所述步骤4中，将制备的侧面夹铝的复合材料坯料的上、下、侧面分别用刨床或铣床加工平直。
所述步骤5中，将轧至所需厚度的板材进行切割，即得产品。
所述步骤5中，采用水刀进行切割。
所述步骤5中，道次变形量为20%—30%。
所述步骤1中，B4C/Al复合材料的基体为1XXX、2XXX、6XXX、7XXX系铝合金中的一种或多种，B4C颗粒在B4C/Al复合材料中的质量分数为10%—40%。
所述步骤2中，铝合金条为1XXX、2XXX、6XXX、7XXX系铝合金中的一种或多种。
所述铝合金条与B4C/Al复合材料的基体铝合金种类相同。
为了解决B4C/Al复合材料板材轧制过程中边缘开裂、崩边及轧制变形道次多的问题，本发明提供一种乏燃料贮存用B4C/Al复合材料板材边缘柔性约束轧制方法，其目的在于优化复合材料坯料制备及轧制工艺，提高材料利用率及生产效率。
本发明中，B4C/Al复合材料板材的制备方法包括冷压坯制备、包套内装配、热等静压、坯料预处理、轧制、切割六个关键步骤，具体如下。
首先，将复合材料各个组分粉体按设计成分比例混合，继而通过冷等静压方式制备复合材料冷压坯。
其次，将制备的复合材料冷压坯装配进热等静压包套，并在复合材料冷压坯两侧与包套之间的空间垫上铝合金条，形成冷压坯两侧的夹铝结构，具体如图1所示。图1中，1为包套，2为复合材料冷压坯，3为铝合金条。从图1中可知，本发明的铝合金条设置在复合材料冷压坯的侧边，且铝合金条位于复合材料冷压坯与包套之间。
其次，将制备的冷压坯两侧的夹铝结构装入热等静压炉体中，热等静压温度为复合材料基体合金固相线以上0—30℃，压强10—50MPa，保温时间5—30min，制得侧面夹铝的复合材料坯料。
其次，将制备的复合材料坯料的上下平面及侧面采用刨床或铣床等机械加工方式修整平直，以便于后续板材的轧制。
其次，将侧面夹铝的复合材料坯料进行热轧，轧制温度300—500℃，道次变形量20%—30%，道次之间进行去应力退火，最终轧至板材所需厚度。最后，将轧制出的板材采用水刀切割至所需尺寸，完成板材的制备。
本发明中的热等静压过程中，复合材料冷压坯与其侧面的铝合金条在温度和压力的共同作用下，实现冶金结合，结合强度远高于焊接或铆接连接方式，这对于其在随后的轧制变形过程中不与复合材料基体剥离十分有利。本发明中，不采用包铝轧制，仅在坯料两侧形成夹铝结构，大部分外表面均未覆盖铝，使得轧制后无需去除板材表面的铝包覆层，有效简化生产工艺。同时，在轧制变形过程中，坯料边缘始终处于侧面夹铝合金的柔性约束作用下，边缘拉应力大幅减小，从而减轻边缘开裂、崩边现象，也使得后续需切割部分减少，极大提高材料利用率。同时，由于外表面铝合金柔性约束作用的存在，使得本发明轧制时的道次变形量能够达到20%—30%（即采用本发明能够以更大的道次变形量进行轧制），有效减少板材成型所需道次数，极大提高了生产效率，具有显著的进步意义。同时，图3给出了实施例1中对照的实验结果，通过比对，能够发现：本发明有效减轻了板材边缘开裂、崩边的问题，具有显著的效果。
可见，相对于常规B4C/Al复合材料板材制备方法，本发明能使板材在轧制变形过程中边缘处于夹铝的柔性约束作用下，从而大幅度减小板材边缘由拉应力引起的开裂情况，提高板材表面质量及材料利用率，降低生产成本。同时，由于边缘受到了夹铝层的保护，使得本发明的板材轧制时在较大的变形量下也不会开裂，因而能采用较大的道次变形量进行轧制，从而减少轧制道次，在很大程度上提高板材生产效率。另外，本发明的复合材料坯料与其侧面的夹铝层形成牢固的冶金结合，但仅在其侧面有铝层，大部分表面并未包覆有铝，这减少了轧制后处理工序。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
（1）本发明采用铝合金为边缘保护夹铝层，其在热等静压过程中与复合材料基体形成牢固的冶金结合，结合强度远高于焊接、铆接方式，对于后续轧制具有重要的意义；
（2）本发明在轧制变形过程中，坯料边缘始终处于侧面夹铝合金的柔性约束作用下，边缘拉应力大幅减小，从而减轻其边缘开裂、崩边现象；
（3）采用本发明，能够以更大的道次变形量进行轧制，减少了板材成型所需道次数，大幅提高了生产效率；
（4）经实际测定验证，本发明轧制出的复合材料板材边缘开裂情况少，需切割部分少，有效提高了材料利用率；
（5）本发明工艺简单，操作方便，生产流程短，能够满足工业化大规模生产和应用的需要，具有显著的进步意义。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是实施例中包套装配剖面示意图。
图2是实施例中侧面夹铝复合材料坯料示意图。
图3是实施例1轧制复合材料板材（a）与未夹铝轧制板材（b）对比图。
图中标记：1为包套，2为复合材料，3为铝合金条。
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
采用6061Al作为侧面夹铝材料（即铝合金条），制备31wt.%B4C/6061Al复合材料，具体步骤如下。
1、冷压坯制备：将31wt.%B4C/6061Al复合材料各个组分粉体按设计成分比例混合，继而通过冷等静压方式，制备复合材料冷压坯。
2、包套内装配：将步骤1制备的复合材料冷压坯装配进热等静压铁皮包套，并其两侧与包套的空间垫上6061Al合金条，形成冷压坯两侧的夹铝结构如图1所示。
3、热等静压：将步骤2装配完的包套装入热等静压炉体中，热等静压温度610℃，压强10MPa，保温时间5min，制得侧面夹铝的复合材料坯料。
4、坯料预处理：将复合材料坯料的上下平面及侧面采用铣床修整平直。
5、轧制：将侧面夹铝的复合材料坯料进行热轧，轧制温度400℃，道次变形量20%，道次之间进行去应力退火，终轧厚度3mm。轧制后，如图2所示。
6、切割：将轧制出的板材采用水刀切割至所需尺寸。
实施例2
采用2024Al作为侧面夹铝材料，制备10wt.%B4C/2024Al复合材料，具体步骤如下。
1、冷压坯制备：将复合材料各个组分粉体按设计成分比例混合，继而通过冷等静压方式制备复合材料冷压坯。
2、包套内装配：将步骤1制备的复合材料冷压坯装配进热等静压铁皮包套，并其两侧与包套的空间垫上2024Al合金条，形成冷压坯两侧的夹铝结构如图1所示。
3、热等静压：将步骤2装配完的包套装入热等静压炉体中，热等静压温度500℃，压强50MPa，保温时间30min，制得侧面夹铝的复合材料坯料。
4、坯料预处理：将复合材料坯料的上下平面及侧面采用刨床修整平直。
5、轧制：将侧面夹铝的复合材料坯料进行热轧，轧制温度300℃，道次变形量30%，道次之间进行去应力退火，终轧厚度15mm。
6、切割：将轧制出的板材采用水刀切割至所需尺寸。
实施例3
采用1060Al作为侧面夹铝材料，制备45wt.%B4C/1060Al复合材料，具体步骤如下。
1、冷压坯制备：将复合材料各个组分粉体按设计成分比例混合，继而通过冷等静压方式制备复合材料冷压坯。
2、包套内装配：将步骤1制备的复合材料冷压坯装配进热等静压铁皮包套，并其两侧与包套的空间垫上1060Al合金条，形成冷压坯两侧的夹铝结构如图1所示。
3、热等静压：将步骤2装配完的包套装入热等静压炉体中，热等静压温度650℃，压强30MPa，保温时间15min，制得侧面夹铝的复合材料坯料。
4、坯料预处理：将复合材料坯料的上下平面及侧面采用刨床修整平直。
5、轧制：将侧面夹铝的复合材料坯料进行热轧，轧制温度500℃，道次变形量20%，道次之间进行去应力退火，终轧厚度10mm。
6、切割：将轧制出的板材采用水刀切割至所需尺寸。
对实施3制备的板材进行测定，测定结果如下：本实施例制备的板材表面质量较好，边缘未出现开裂、崩边现象。
实施例4
采用7050Al作为侧面夹铝材料，制备20wt.%B4C/7050Al复合材料，具体步骤如下。
1、冷压坯制备：将复合材料各个组分粉体按设计成分比例混合，继而通过冷等静压方式制备复合材料冷压坯。
2、包套内装配：将步骤1制备的复合材料冷压坯装配进热等静压铁皮包套，并其两侧与包套的空间垫上7050Al合金条，形成冷压坯两侧的夹铝结构如图1所示。
3、热等静压：将步骤2装配完的包套装入热等静压炉体中，热等静压温度580℃，压强50MPa，保温时间20min，制得侧面夹铝的复合材料坯料。
4、坯料预处理：将复合材料坯料的上下平面及侧面采用铣床修整平直。
5、轧制：将侧面夹铝的复合材料坯料进行热轧，轧制温度480℃，道次变形量25%，道次之间进行去应力退火，终轧厚度5mm。
6、切割：将轧制出的板材采用水刀切割至所需尺寸。
对实施4制备的板材进行测定，测定结果如下：本实施例制备的板材表面质量较好，边缘未出现开裂、崩边现象。
对比例1
本实施例中不采用6061Al作为侧面夹铝材料，直接制备31wt.%B4C/6061Al复合材料。其中，步骤2中，将步骤1制备的复合材料冷压坯装配进热等静压铁皮包套，即可，不在复合材料冷压坯两侧设置6061Al合金条，且道次变形量由20%降低至5%，其他与实施例1相同。
分别对实施例1、对比例1制备的板材进行测定，测定结果如图3所示。其中，图3（a）为实施例1制备的板材，其边缘未出现开裂、崩边现象；图3（b）为对比例1制备的板材，其边缘能够明显看出：出现开裂、崩边现象，这使得所需切割的面积较大。另外，降低道次变形量，有利于保持板材的表面质量，而通过对比能够发现，对比例1在道次变形量较小的前提下，表面质量才能接近实施例；若在相同道次变形量前提下，则板材的表面质量将原差于实施例1。对比例1基于道次变形量的减少，使得生产周期大幅延长，生产效率降低。
对比例2
本实施例中不采用2024Al作为侧面夹铝材料，直接制备10wt.%B4C/2024Al复合材料。其中，步骤2中，将步骤1制备的复合材料冷压坯装配进热等静压铁皮包套后即进行热等静压，其他与实施例2相同。
分别对实施例2、对比例2制备的板材进行测定，测定结果如下：实施例2制备的板材表面质量较好，边缘未出现开裂、崩边现象；对比例2制备的板材表面质量较差，需要增加后续的修正工序，且板材的边缘出现大幅开裂、崩边现象，开裂部分约占板材面积的10~20%，材料利用率较低。
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B4C/Al复合材料板材边缘柔性约束轧制方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）冷压坯制备
按B4C/Al复合材料设计配比分别称取组分，并将称取的组合混合均匀，再将混合物进行冷等静压，制备出复合材料冷压坯；
（2）包套内装配
将步骤1制备的复合材料冷压坯装配进包套中，并在冷压坯侧边与包套之间设置铝合金条，得到夹铝层状结构；
（3）热等静压
将夹铝层状结构装入热等静压炉中进行热等静压，得到侧面夹铝的复合材料坯料，其中，热等静压温度为复合材料基体合金固相线以上0—30℃，压强为10—50MPa，保温时间为5—30min；
（4）坯料预处理
将步骤3制备的侧面夹铝的复合材料坯料加工平直；
（5）轧制
将加工平直的侧面夹铝的复合材料坯料进行热轧，轧制温度为300—500℃，道次之间进行去应力退火，最终轧至板材所需厚度，即可；
所述步骤（5）中，道次变形量为20%—30%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合材料冷压坯中相平行的两个冷压坯侧边与包套之间分别设置有铝合金条。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，采用机械加工方式将侧面夹铝的复合材料坯料加工平直。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，将制备的侧面夹铝的复合材料坯料的上、下、侧面分别用刨床或铣床加工平直。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（5）中，将轧至所需厚度的板材进行切割，即得产品。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤（5）中，采用水刀进行切割。
7.根据权利要求1、2、4、5、6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，B4C/Al复合材料的基体为1XXX、2XXX、6XXX、7XXX系铝合金中的一种或多种，B4C颗粒在B4C/Al复合材料中的质量分数为10%—40%。
8.根据权利要求1、2、4、5、6任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，铝合金条为1XXX、2XXX、6XXX、7XXX系铝合金中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述铝合金条与B4C/Al复合材料的基体铝合金种类相同。
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