CN111893341B - 面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，包括下述步骤：将铝合金实体结构通过拓扑优化再设计为点阵结构，并通过激光选区熔化技术对其进行制造成形；所述点阵结构为内部为具有一定孔隙率的多孔结构，而外部轮廓封闭，但留有碳化硼粉末填充口；将细小的碳化硼粉末灌入铝合金点阵结构中；将铝合金点阵结构的碳化硼粉末填充口通过激光选区熔化技术进行再增材，从而使再增材后的铝合金点阵结构外部轮廓实体完整。本发明将增材制造结构成形自由度高的特点应用到防中子辐射铝基碳化硼材料的成形制造中，弥补了防中子辐射铝基碳化硼材料的传统制造方法无法成形异性结构，中子吸收材料空间分布防护效能低且有漏缝的缺陷。

Description

面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法
技术领域
本发明属于増材制造的技术领域，具体涉及一种面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法。
背景技术
激光选区熔化是近年来发展迅速的一项金属增材制造技术，它能够成形任意形状的铝合金零件，相对于其它金属增材制造技术，具有尺寸精度好、表面质量高、致密度高的优势。拓扑优化点阵设计是增材制造中一种结构设计手段，它可将实体结构进行轻量化，通过有限元的思想把实体结构最终变成由若干个单元体结构组合而成的孔隙化结构。点阵结构的材料特点是重量轻、高强度比和高特定刚性。并且带来各种热力学特征，点阵结构的超轻型结构适合用在抗冲击/爆炸系统、或者充当散热介质、声振、微波吸收结构和驱动系统中。
核电站乏燃料储存格架中有热中子、中等能量中子和快中子辐射。一般来说，对于中能中子和快中子，需将其慢化为热中子才能被屏蔽材料所吸收。热中子屏蔽材料需具有良好的热中子吸收性能和机械性能。随着铝基复合材料逐渐发展成熟，近十年出现一种新型铝基碳化硼中子吸收材料，即由碳化硼(B4C)颗粒添加到铝合金基体中形成的一种致密的铝基复合材料。该材料具有优异的力学性能与中子吸收性能，且密度低、热导率高。在核燃料格架中，中子吸收材料主要为功能材料，其外面由一层不锈钢薄板固定在不锈钢格架单元外壁形成一种三明治结构。随着核电站抗震性要求提高、乏燃料高密度储存及运输等需求，新型铝基碳化硼逐渐替代硼不锈钢等传统中子吸收材料制造格架和运输容器，已成为核电工程设计的主要方案。
目前传统铝基碳化硼制造方法制造工艺繁琐，相比增材制造方法无法成形复杂形状结构。为将增材制造结构成形自由度高的特点应用到铝基碳化硼的制造中，因此提出了一种面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，将增材制造结构成形自由度高的特点应用到防中子辐射铝基碳化硼材料的成形制造中，弥补了防中子辐射铝基碳化硼材料的传统制造方法无法成形复杂结构的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，包括下述步骤：
复杂铝合金点阵结构成形，将铝合金实体结构通过拓扑优化再设计为点阵结构，并通过激光选区熔化技术对其进行制造成形；所述点阵结构为内部为具有一定孔隙率的多孔结构，而外部轮廓则为实体但留有碳化硼粉末填充口；
碳化硼粉末填充，将细小的碳化硼粉末灌入铝合金点阵结构中，使碳化硼粉末充满铝合金点阵结构内部的孔隙；
铝合金点阵结构封口，将铝合金点阵结构的碳化硼粉末填充口通过激光选区熔化技术进行再增材，从而使再增材后的铝合金点阵结构外部轮廓实体完整，进而将碳化硼粉末完好的密封在内部。
作为优选的技术方案，所述将铝合金实体结构通过拓扑优化再设计为点阵结构的步骤中，具体为：
根据中子防护应用环境要求，对中子防护的屏蔽材料进行外形构造，借助有限元分析应力情况以及中子辐射密集度进行外形拓扑优化与点阵结构密度设计，根据应力分布情况，应力大的地方，对外形的厚度以及点阵密度要求高，以承受更大的应力，满足强度与刚度要求；对中子辐射密集的地方，外形厚度减薄，点阵密度降低，给中子吸收材料碳化硼留取更大空间。
作为优选的技术方案，所述点阵结构满足孔杆在成形生长方向倾角大于45度，或者孔杆长度不超2mm；孔杆直径超过0.1mm，点阵结构具有互通性，便于碳化硼材料流动与填充密实性；所述点阵结构可为正八面体结构以及特殊多孔结构；
对于点阵结构可根据需求设计成外层与内层孔隙密度不同，可以梯度，可为非均质孔隙密度点阵结构，以满足辐射防滑的要求。
作为优选的技术方案，所述通过激光选区熔化技术对其进行制造成形的步骤，具体为：
首先在基板上铺粉上铝基材料，激光通过振镜偏转实现光束辐射在铝基材料，辐射部分熔化铝基材料，在快熔快凝的作用下，实现铝基材料的造型；
铝基材料的造型特点在底面以及侧面多孔是封闭的或者采用封闭板进行封闭；铝基材料内部为互通的点阵结构；
激光选区熔化通过一层一层成形铝基点阵结构后，将基板从设备中取出来，通过超声振动方式，将存留在点阵结构中的粉末流出；
此时加入碳化硼颗粒材料，流动性良好的碳化硼颗粒流入点阵结构中，同时利用超声振动方式进行压实。
作为优选的技术方案，所述孔隙率为500μm—5mm。
作为优选的技术方案，所述多孔结构的孔隙密度呈现外部孔隙低，内部孔隙多的分布，孔隙率分布依据中子辐射密集度进行设计与成形。
作为优选的技术方案，所述碳化硼粉末的粒径为微米至纳米级；对于流动比较差的纳米碳化硼粉末材料，包覆聚乙烯材料，使得颗粒变大，或者混入聚丙烯以及流变剂改性的聚乙烯材料中在加温条件下流入铝基点阵结构中。
作为优选的技术方案，所述将铝合金点阵结构的碳化硼粉末填充口通过激光选区熔化技术进行再增材的步骤，具体为：
基板连同放有碳化硼的铝基点阵结构一同放入激光选区熔化设备，在铝基点阵结构周边置放铝基粉末材料，直到上层可以均匀放置一层材料为止，在激光作用下熔化新覆盖的铝基粉末材料，在上层成形为封闭点阵结构或者封闭板，从而将整体结构进行封闭，从而通过铝基点阵结构的设计与成形，实现碳化硼材料的分布。
作为优选的技术方案，还包括下述步骤：将成形后的铝基碳化硼进行后处理，进一步提升使用性能，通过加热加压下对铝基点阵结构进行微量变形，实现铝基点阵结构与碳化硼进一步压实。
作为优选的技术方案，对于超过激光选区熔化成形的防护件，可以采用拼接方式完成，拼接口的防护做好碳化硼全覆盖无漏缝。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)与现有的传统铝合金碳化硼制造方法，本方法将增材制造的结构高自由度设计的特点应用到了铝基碳化硼的制造中。点阵结构具有强量化、高强度比和高特定刚性的特点，因此铝合金基体拓扑点阵设计后依然能满足其使用要求，并且其内部填充了碳化硼粉末进而可以达到防中子辐射的目的。
(2)本发明中铝基点阵结构可以为异性结构件，满足各种中子辐射防护场景，对大体积的大面积防护可以采用拼接方式完成，拼接后无漏缝。
(3)本发明中铝基点阵结构可以根据应用场景在满足力学性能的要求下进行铝基点阵结构的强度设计，同时可以对铝基点阵的空间孔隙梯度与非均质计与制造，从而实现碳化硼的材料空间位置准确置放与分布，满足中子辐射防护各种要求。
(4)本发明改变现有碳化硼材料含量不高，防护效能低的缺点，可以最大限度的提升碳化硼含量，实现防护效能的最大化且减少防护材料的体积。
附图说明
图1是本发明的增材制造方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如流程图1所示，本发明提供了一种面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，步骤包括复杂铝合金点阵结构成形、碳化硼粉末填充、铝合金点阵结构封口。
所述复杂铝合金点阵结构成形指通过激光选区熔化技术成型制造铝合金点阵结构框架；所述铝合金点阵结构框架是通过拓扑优化再设计为点阵结构；所述点阵结构特点为内部为具有一定孔隙率的多孔结构，而外部轮廓则为实体但留有碳化硼粉末填充口(面)；
所述碳化硼粉末填充指将细小的碳化硼粉末灌入铝合金点阵结构中，使粉末充满铝合金点阵结构内部的孔隙；所述碳化硼粉末特点为粒径较小(可至纳米级)，并且流动性良好。
所述铝合金点阵结构封口指将铝合金点阵结构的碳化硼粉末填充口通过激光选区熔化技术进行再增材，从而使再增材后的铝合金点阵结构外部轮廓实体完整，进而将碳化硼粉末完好的密封在内部。
采用上述成形方案对面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造成形方法如下：
(1)对铝合金实体结构进行拓扑优化设计，将其再设计为内部点阵结构，外部轮廓实体结构，并且留碳化硼粉末填充口。
更为具体的，步骤(1)包括下述步骤：
(1-1)根据中子防护应用环境要求，对中子防护的屏蔽材料进行外形构造，借助有限元分析应力情况以及中子辐射密集度进行外形拓扑优化与点阵结构密度设计。根据应力分布情况，应力大的地方，对外形的厚度以及点阵密度要求高，以承受更大的应力，满足强度与刚度要求。对中子辐射密集的地方，外形厚度可减薄，点阵密度降低，给中子吸收材料碳化硼留取更大空间；
(1-2)对于点阵结构设计基本上要满足孔杆在成形生长方向倾角大于45度，或者孔杆长度不超2mm；孔杆直径需要超过0.1mm以上，点阵结构具有互通性，便于碳化硼材料流动与填充密实性；点阵结构可为正八面体结构以及特殊多孔结构。
(1-3)对于点阵结构可以根据需求设计成外层与内层孔隙密度不同，可以梯度，可为非均质孔隙密度点阵结构，以满足辐射防滑的要求。
(2)将模型数据导入激光选区熔化设备中，激光选区熔化设备准备工作就绪后，使用激光选区熔化技术成形该铝合金点阵结构，成形完成后将结构取出并且清理金属粉末。
步骤(2)中，利用激光选区熔化技术对其进行制造成形对其进行制造成形，其具体包括：
(2-1)首先在基板上铺粉上铝基材料，激光通过振镜偏转实现光束辐射在铝基材料，辐射部分熔化铝基材料，在快熔快凝的作用下，实现铝基材料的造型；
(2-2)铝基材料的造型特点在底面以及侧面多孔是封闭的或者采用封闭板进行封闭；
(2-3)铝基材料内部为互通的点阵结构；激光选区熔化通过一层一层成形铝基点阵结构后，将基板从设备中取出来，通过超声振动等方式，将存留在点阵结构中的粉末流出；
(2-4)此时加入碳化硼颗粒材料，流动性良好的碳化硼颗粒流入点阵结构中，同时利用超声振动等方式进行压实。
在本实施例中，所述孔隙率为500μm—5mm；所述多孔结构的孔隙密度呈现外部孔隙低，内部孔隙多的分布，孔隙率分布依据中子辐射密集度进行设计与成形。
在本实施例中，所述碳化硼粉末的粒径为微米至纳米级。对于流动比较差的纳米碳化硼粉末材料，可包覆聚乙烯等材料，使得颗粒变大，或者混入聚丙烯以及流变剂改性的聚乙烯材料中在加温条件下流入铝基点阵结构中。
(3)对铝合金点阵结构通过填充口进行碳化硼粉末填充，粉末填充完毕后再将该铝合金点阵结构放置激光选区熔化设备的成型室内进行再定位，最后根据原设计好的封口形状对该铝合金点阵结构进行封口。
步骤(3)中，所述将铝合金点阵结构的碳化硼粉末填充口通过激光选区熔化技术进行再增材，具体为：基板连同放有碳化硼的铝基点阵结构一同放入激光选区熔化设备，在铝基点阵结构周边置放铝基粉末材料，直到上层可以均匀放置一层材料为止，，在激光作用下熔化新覆盖的铝基粉末材料，在上层成形为封闭点阵结构或者封闭板，从而将整体结构进行封闭，从而通过铝基点阵结构的设计与成形，实现碳化硼材料的分布。
更进一步的，还包括下述步骤：将成形后的铝基碳化硼可以进行后处理，进一步提升使用性能，如加热加压下对铝基点阵结构进行微量变形，实现铝基点阵结构与碳化硼进一步压实；
更进一步的，本实施例的点阵结构可以成形异性结构件，对于超过激光选区熔化成形的防护件，可以采用拼接方式完成，拼接口的防护组好碳化硼全覆盖无漏缝。
本发明将增材制造结构成形自由度高的特点应用到防中子辐射铝基碳化硼材料的成形制造中，弥补了防中子辐射铝基碳化硼材料的传统制造方法无法成形异性结构，中子吸收材料空间分布防护效能低且有漏缝的缺陷。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
复杂铝合金点阵结构成形，将铝合金实体结构通过拓扑优化再设计为点阵结构，并通过激光选区熔化技术对其进行制造成形；所述点阵结构成形异形结构件，所述点阵结构为内部为具有一定孔隙率的多孔结构，而外部轮廓则为实体但留有碳化硼粉末填充口，所述点阵结构满足孔杆在成形生长方向倾角大于45度，或者孔杆长度不超2mm；
碳化硼粉末填充，将细小的碳化硼粉末灌入铝合金点阵结构中，使碳化硼粉末充满铝合金点阵结构内部的孔隙；
铝合金点阵结构封口，将铝合金点阵结构的碳化硼粉末填充口通过激光选区熔化技术进行再增材，从而使再增材后的铝合金点阵结构外部轮廓实体完整，进而将碳化硼粉末完好的密封在内部；
其中，所述将铝合金实体结构通过拓扑优化再设计为点阵结构的步骤中，具体为：
根据中子防护应用环境要求，对中子防护的屏蔽材料进行外形构造，借助有限元分析应力情况以及中子辐射密集度进行外形拓扑优化与点阵结构密度设计，根据应力分布情况，应力大的地方，对外形的厚度以及点阵密度要求高，以承受更大的应力，满足强度与刚度要求；对中子辐射密集的地方，外形厚度减薄，点阵密度降低，给中子吸收材料碳化硼留取更大空间；
所述点阵结构满足孔杆直径超过0.1mm，点阵结构具有互通性，便于碳化硼材料流动与填充密实性；
对于点阵结构根据需求设计成外层与内层孔隙密度不同，为梯度，或为非均质孔隙密度点阵结构，以满足辐射防滑的要求；
其中，所述通过激光选区熔化技术对其进行制造成形的步骤，具体为：
首先在基板上铺粉上铝基材料，激光通过振镜偏转实现光束辐射在铝基材料，辐射部分熔化铝基材料，在快熔快凝的作用下，实现铝基材料的造型；
铝基材料的造型特点在底面以及侧面多孔是封闭的或者采用封闭板进行封闭；铝基材料内部为互通的点阵结构；
激光选区熔化通过一层一层成形铝基点阵结构后，将基板从设备中取出来，通过超声振动方式，将存留在点阵结构中的粉末流出；
此时加入碳化硼颗粒材料，流动性良好的碳化硼颗粒流入点阵结构中，同时利用超声振动方式进行压实；
其中，所述将铝合金点阵结构的碳化硼粉末填充口通过激光选区熔化技术进行再增材的步骤，具体为：
基板连同放有碳化硼的铝基点阵结构一同放入激光选区熔化设备，在铝基点阵结构周边置放铝基粉末材料，直到上层均匀放置一层材料为止，在激光作用下熔化新覆盖的铝基粉末材料，在上层成形为封闭点阵结构或者封闭板，从而将整体结构进行封闭，从而通过铝基点阵结构的设计与成形，实现碳化硼材料的分布。
2.根据权利要求1所述面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，其特征在于，所述孔隙率为500μm—5mm。
3.根据权利要求1所述面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，其特征在于，所述多孔结构的孔隙密度呈现外部孔隙低，内部孔隙多的分布，孔隙率分布依据中子辐射密集度进行设计与成形。
4.根据权利要求1所述面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，其特征在于，所述碳化硼粉末的粒径为微米至纳米级；对于流动比较差的纳米碳化硼粉末材料，包覆聚乙烯材料，使得颗粒变大，或者混入聚丙烯以及流变剂改性的聚乙烯材料中在加温条件下流入铝基点阵结构中。
5.根据权利要求1所述面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，其特征在于，还包括下述步骤：将成形后的铝基碳化硼进行后处理，进一步提升使用性能，通过加热加压下对铝基点阵结构进行微量变形，实现铝基点阵结构与碳化硼进一步压实。
6.根据权利要求1所述面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，其特征在于，对于超过激光选区熔化成形的防护件，采用拼接方式完成，拼接口的防护做好碳化硼全覆盖无漏缝。
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