KR20070024535A - 붕소함유 알루미늄 재료에 의한 중성자 흡수 방법 - Google Patents

붕소함유 알루미늄 재료에 의한 중성자 흡수 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄계 주조 복합재료에서의 중성자 흡수방법에 관한 것으로서, 알루미늄합금 매트릭스 및 비교적 큰 붕소함유 입자를 함유하는 알루미늄-붕소 금속간화합물로부터 용융 복합재료를 준비하고, (a) 붕소함유 입자를 부분적으로 용해시키도록 충분한 온도 및 시간으로 상기 복합재료를 가열하고, 그 후 복합재료내에 미세 티타늄 2붕소화물 입자를 형성하도록 티타늄을 첨가하고, 상기 복합재료를 주조하거나; 또는 (b) 상기 용융 복합재료 또는 알루미늄합금 매트릭스에 가돌리늄 또는 사마륨을 첨가하고, 주조 복합재료내에 Gd-Al 또는 Sm-Al의 미세 입자 석출물을 형성시키도록 복합재료를 주조하는 단계를 포함하며, 상기 미세 입자는 중성자 흡수재로 큰 붕소함유 입자 주위의 갭을 충전시키며, 중성자 흡수 주조 복합재료는 중성자 흡수재로 B4C 또는 알루미늄-붕소 금속간화합물을 포함하는 큰 입자형태 및 TiB2, 또는 (AlTi)B2, Sm-알루미늄 금속간화합물 또는 Gd-알루미늄 금속간화합물을 포함하는 작은 입자 또는 석출물 분포를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

붕소함유 알루미늄 재료에 의한 중성자 흡수 방법{IMPROVED NEUTRON ABSORPTION EFFECTIVENESS FOR BORON CONTENT ALUMINUM MATERIALS}
본 발명은 붕소계 중성자 흡수재(boron-based neutron absorber material)에서의 중성자 흡수율을 개선하는 방법에 관한 것이다.
핵에너지 산업에 있어서, 폐연료용 용기에서 중성자를 흡수, 방출시키지 않는 흡수재에 대한 관심이 커지고 있다. 용기는 주로 알루미늄(Al)계 재료로 제조된다. 붕소(B)는 중성자를 흡수하는 원소로서 일반적으로 사용된다. 붕소는 전형적으로 Al-매트릭스에서 AlB2, AlB12를 형성하는 B4C, TiB2 또는 원소 B로써 Al내로 결합된다.
일반적으로 2가지 형태: 알루미늄합금 분말이 탄화붕소입자와 혼합된 보랄(Boral)(상표명)(AAR Brocks & Perkins)과 같은 Al-B4C 분말야금제품, 및 Eagle-Picher Technologies LLC의 동위원소농축 Al-B 제품의 용기 제품이 이용가능하다. 이들의 제조공정이 복잡하기 때문에, 이들 제품은 고가격이다.
스키보 등의 미국특허 제4,786,467호는 다양한 비금속 입자가 알루미늄합금 매트릭스에 첨가된 알루미늄합금 복합재료를 제조하는 방법을 개시한다. 이 입자는 탄화붕소를 포함하지만, 주로 탄화규소 입자를 포함한다.
로이드 등의 유럽특허 제0 608 299호는 알루미나 입자가 약 0.15 내지 3% Mg를 함유하는 알루미늄합금내에 분산되고, 이용가능한 마그네슘의 매트릭스를 형성 및 고갈시키는 스피넬(spinel)의 형성을 억제하기 위해 스트론튬(strontium)이 첨가되는 공정을 개시한다.
페르란도 등의 미국특허 5,858,460호는 마그네슘-리튬 또는 알루미늄-리튬합금에 있어서 탄화붕소를 사용하는 항공우주 용도를 위한 주조 복합재료를 제조하는 방법을 개시하며, 합금에 의한 입자의 낮은 습윤성(wettability)과 반응성(reactivity)의 문제점을 해소하기 위해 용융 합금내로 입자를 혼합하기 전에 입자표면상에 금속 은(silver metallic) 코팅막을 형성시킨다.
피직 등의 미국특허 제5,521,016호는 탄화붕소 프리폼(preform)을 용융 알루미늄합금에 침윤(infilterating)시키는 것에 의해 알루미늄-탄화붕소 복합재료를 제조하는 방법을 개시한다. 탄화붕소는 열처리에 의해 초기에 부동화된다.
리치 등의 미국특허 3,356,618호는 다양한 금속에서의 탄화붕소 또는 지르코늄 2붕소화물(zirconium diboride)로부터 형성된 핵 제어봉 화합물을 개시하며, 탄화붕소는 복합재료를 형성하기 전에 도포된 탄화규소 또는 탄화티타늄 코팅에 의해 보호된다.
안전을 위해, 붕소함유 알루미늄 재료(boron-containing aluminum material)는 그들의 미세구조에서의 붕소함유 입자의 균일한 분포를 요구한다. 또한, 중성자 흡수를 최대화하기 위해 붕소함유 입자 사이의 최소 간격이 요구된다. 그러나, 붕소 함량의 감소와 함께, 붕소함유 입자의 균일한 분포와 붕소함유 입자 사이의 간격을 달성하기 어렵게 되며 붕소함유 입자가 크게 성장하기 시작한다.
붕소함유 입자 사이의 큰 공간과 비균일 분포는 중성자가 붕소함유 입자 사이를 통과하여 흡수되지 않는 결과를 가져오는 채널링 효과(channelling effect)를 일으킨다.
알루미늄 주조 복합재료에서의 중성자 흡수를 개선하기 위한 많은 시도가 이루어져 왔다. US Nuclear Regulatory Commission에 의해 발표된 논문 "Neutron Absorbers : Qualification and Acceptance Tests"는 분말야금분야에 촛점을 맞춘 B4C-Al함유 흡수재에 대한 요구사항을 논의한다. 이 논문에는 중성자 흡수율에 대한 입자 형성과 크기 분포의 효과를 논의한다. 미국특허 제4,806,307호(히로세 등)는 중성자 흡수 용도를 위한 Gd함유 주조 알루미늄합금을 개시한다. Al-Gd 금속간화합물 입자는 작은 것으로 일컬어진다. 미국특허 제5,700,962호(로빈)는 Al, Gd 및 이들 원소의 합금을 포함할 수 있는 금속내에 B4C를 함유하는 복합재료를 개시한다. 그러나, 이 복합재료는 비싼 분말야금 절차에 의해 형성된다. 마지막으로, 유럽공개특허 제0258178호(플란캠프)는 중성자 흡수에 적합한 함금으로써 Al-Sm, Cu-Sm 및 Mg-Sm을 개시한다. 넓은 범위의 복합재료가 유용한 것으로 일컬어지며, 주조를 포함하는 다양한 제조기술이 사용될 수 있다. 또한, 합금은 알루미나, 탄화규소, 탄화붕소 등을 포함하는 섬유에 의해 강화될 수 있다. 공정 또는 제품 형태론에 대한 상세한 기술은 제공되지 않는다.
따라서, 채널링 효과를 감소시키기 위해 균일하고 밀접하게 이격된 중성자-흡수 성분을 갖는 붕소-알루미늄 주조 복합재료를 제조하는 방법을 확립하는 것이 바람직하다.
본 발명은 하기의 도면과 조합하여 기술될 것이다.
도 1은 알루미늄 주조 복합재료(composite material)에서의 다양한 B4C 입자 분포의 개략도,
도 2는 본 발명의 방법의 일실시예를 도시하는 개략도,
도 3은 본 발명의 방법의 다른 실시예를 도시하는 개략도,
도 4는 본 발명의 방법에 의한 처리 전의 Al-AlB2 복합재료를 도시하는 현미경사진,
도 5는 도 4의 Al-AlB2 재료에 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄의 첨가 후의 현미경사진,
도 6은 Al-AlB2-B4C 재료에 도 5에서와 같은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 티타늄의 첨가 후의 현미경사진,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 준비된 Al-B4C-Gd 복합재료를 도시하는 현미경사진,
도 8은 본 발명의 방법에 의한 처리 전의 Al-B4C 복합재료를 도시하는 현미경사진 및
도 9는 도 8의 Al-B4C 복합재료에 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄의 첨가 후의 도면이다.
따라서, 본 발명은 알루미늄계 복합재료에서의 중성자 흡수를 개선하는 방법을 제공하는 것으로서, 알루미늄합금 매트릭스 및 하나 이상의 알루미늄-붕소 금속간화합물 또는 B4C로부터 비교적 큰 붕소함유 입자를 함유하는 용융 복합재료를 준비하는 단계, (a)붕소함유 입자를 부분적으로 용해시키도록 충분한 온도 및 시간으로 복합재료를 가열하고, 그 후 복합재료내에 미세 티타늄 2붕소화물 입자의 어레이를 형성하도록 용융 복합재료에 티타늄을 첨가하는 단계 또는 (b)용융 복합재료 또는 용융 복합재료를 제조하기 위해 사용된 용융 알루미늄 매트릭스에 가돌리늄 또는 사마륨을 첨가하고, 복합재료내에 Gd-Al 또는 Sm-Al의 미세 입자를 형성하도록 복합재료를 주조하는 단계를 포함하며, 상기 미세 입자 또는 석출물은 중성자 흡수재로 큰 붕소함유 입자 주위의 갭(gap)을 충전시킨다.
또한, 본 발명은 알루미늄 매트릭스내에 입자형태의 중성자 흡수 화합물을 포함하는 중성자 흡수 주조 복합재료를 제공하는 것으로서, 입자는 하나 이상의 B4C 또는 알루미늄-붕소 금속간화합물을 포함하는 큰 입자 분포 및 TiB2, Gd-알루미늄 금속간화합물 또는 Sm-알루미늄 금속간화합물을 포함하는 작은 입자 또는 석출물 분포를 포함한다.
본 발명의 촛점은 원 주조 복합재료의 큰 중성자 흡수입자 주위에 균일한 간격으로 위치되는 미세 중성자 흡수 종(absorbing specie)을 인사이튜(in situ) 형성하는 것에 의해 주조 복합재료의 중성자 포착율을 개선하여 중성자 흡수능을 개선하는 것이다. 중성자 흡수재는 주조 복합재료에서의 표면 영역 및 분포와 같은 "형태 인자(form factor)" 때문에, 중성자 포착율이 흡수원소의 체적퍼센트에 의해서만 예측되는 것은 아니다.
붕소함유 입자의 분포와 관련된 문제점은 도 1에 도시되어 있으며, 도 1의 (a)는 약 16 wt%의 붕소함량을 갖는 고붕소함량 복합재료에서의 붕소함유 입자의 전형적인 구조를 도시하며, 도 1의 (b)는 예컨대 3 wt% 붕소 범위의 저붕소함량 복합재료에서의 비균일 분포를 도시한다. 마지막으로, 도 1의 (c)는 상기 저붕소함량 복합재료에서의 붕소함유 입자 사이에 놓여질 수 있는 큰 간격을 도시한다.
일실시예에 있어서, 미세 입자는 복합재료를 예를 들면 700 내지 850℃의 고온으로 가열하고, 예를 들면 15분 이상의 시간동안 이 온도에서 유지시키고, 그 후 티타늄을 용융 복합재료에 첨가하여 미세 티타늄 2붕소화물(titanium diboride) 입자를 석출시키는 것에 의해 금속 주조 복합재료내에서 석출된다.
이러한 재료에서의 중성자 흡수율을 개선하기 위한 한가지 접근으로서 2 단계: 1) 고온에서의 붕소함유 입자의 부분 용해; 및 2) 부분 용해 후에, 다수의 작은 TiB2 및 (AlTi)B2 입자를 형성하도록 Ti를 첨가하는 단계를 수행하는 것이 제안되고 있다. 고온 및 유지시간의 결합은 후속 티타늄 첨가가 미세 입자의 분포를 빠르게 형성하도록 용융 알루미늄내로의 붕소의 충분한 용해를 보장한다. 가열 단계에서의 바람직한 온도 범위는 730 내지 820℃이며, 바람직한 유지시간은 0.5 내지 4시간이다. 티타늄이 이 처리에 앞서 첨가되면, 티타늄은 원 붕소함유 입자와 반응하여 이들 입자를 코팅하며, 매트릭스에서의 미세 입자의 충분한 갯수가 형성되지 않을 것이다. 큰 붕소화물 입자의 적당한 용해 및 첨가된 티타늄과 반응하기 위한 용액내의 충분한 붕소의 존재를 보장하기 위해서는 최소 유지시간이 필요하다.
도 2를 참조하면, 높은 용융온도에서, 원 복합재료에 존재하는 큰 붕소함유 입자는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 부분적으로 용해될 수 있으며, 액체에서의 붕소 용해도는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 증가된 용융 온도와 함께 증가한다. 다음에, 0.2 내지 2.0 wt%(알루미늄 매트릭스에서의 중량%로 측정됨) 범위의 Ti가 첨가되면, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 TiB2 및 (AlTi)B2와 같은 다수의 작은 인사이튜 붕소함유 입자가 형성된다. 이들 입자 크기는 0.1 내지 5.0 ㎛ 범위에 있으며, 복합재료의 미세구조 전체에 분포되기 시작하며, 이에 의해 붕소합유 입자 사이의 간격을 감소시키고 더 나은 중성자 차폐를 제공한다. 큰 붕소함유 입자가 15 ㎛ 이상의 평균 크기를 갖는 것과 비교하여, B4C 입자의 경우에 50 ㎛ 크기일 수 있으며 Al-B 금속간화합물(intermetallic)의 경우에는 더욱 클 수 있다. 티타늄 첨가가 너무 낮으면 입자의 갯수가 불충분해질 것이며, 티타늄 첨가가 너무 높으면 티타늄은 최종 제품에서의 기계적 특성에 유해한 큰 알루미늄-티타늄 금속간화합물을 형성할 수 있다.
티타늄은 금속 분말 또는 상업적으로 이용가능한 Al-Ti 마스터 합금(master alloy)의 형태로 첨가될 수 있다. 알루미늄-티타늄 금속간화합물을 함유하는 Al-Ti 마스터 합금은 티타늄을 첨가하기 위해 용액내로 용해되지만, 첨가된 티타늄의 유효량이 바람직한 범위내에 있는 한, 전술한 큰 금속간화합물의 유해한 효과는 회피된다.
주어진 붕소 레벨에 대해, 특히 전형적으로 2 - 6% B의 저붕소함량 알루미늄계 재료에 있어서, 이 방법은 중성자 흡수율을 증가시킬 수 있다. 또한, 다수의 작은 인사이튜 TiB2 입자는 실온 및 고온 양쪽에서의 재료강도를 증가시킬 수 있다.
이 방법은 Al-B 합금, Al-B4C 복합재료 뿐만 아니라 그들의 조합물에 대해 사용될 수 있다. 이 방법은 새로운 재료 또는 재용융 및 재생 재료에도 적용될 수 있다.
자연에 있어서, 붕소보다 더 높은 중성자 흡수능을 갖는 몇몇 원소가 존재한다. 이들 가운데에는 가돌리늄(Gadolinium)(Gd)과 사마륨(Samarium)(Sm)이 있으며, 표 1에 나타낸 바와 같이, 그들의 더 높은 중성자 흡수능 때문에 중성자 흡수물로서 매우 유망하다는 것이 발견되었다. 예를 들면, 열중성자(thermal neutron)에 대한 0.025 eV의 에너지 레벨에서, Gd는 붕소보다 64배 높은 중성자 흡수능을 가지며, Sm은 7.7배 높은 중성자 흡수능을 가진다. 또한, 가돌리늄과 사마륨은 금속 덩어리(lump), 큰 덩어리(chunk), 잉곳, 봉 및 플레이트 형태로 쉽게 이용가능하며, 알루미늄과 쉽게 합금화된다. 또한, 그들은 최근 더욱 저렴한 가격으로 되고 있다.
서로다른 원소의 중성자 흡수능
원소 유용한동위원소 원소에서의동위원소 % 2200 m/s 중성자에대한 동위원소의열중성자 흡수 단면 2200 m/s 중성자에대한 원소의열중성자 흡수 단면
B 10B 20 3835 767
Sm 149Sm 13.9 42080 5922
Gd 157Gd155Gd 15.714.8 25900061100 49700
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 미세 입자는 용융 복합재료에 가돌리늄(Gd) 또는 사마륨(Sm)을 첨가하거나 또는 초기 복합재료를 제조하는데 사용된 알루미늄합금에 Gd 또는 Sm을 첨가하는 것에 의해 석출된다. 비교적 소량의 Gd 또는 Sm을 Al-B4C 금속 매트릭스 복합재료내로 합금화하는 것에 의해, Al-B4C-Gd 및 Al-B4C-Sm MMCs는 중성자 흡수용도의 비교적 저가의 고효율 재료로서 작용한다. 예를 들면, 0.31 wt% Gd 또는 2.6 wt% Sm을 Al-25 vol% B4C 복합재료에 첨가하는 것에 의해, 재료의 중성자 흡수능은 거의 두배가 된다. 이들 합금화원소의 효과는 흡수되는 중성자의 에너지에 의존한다.
바람직하게는, 중성자 흡수에 대한 유용한 효과를 달성하기 위해, Al-B4C에서의 Gd 농도는 0.2 wt% 이상이며, Al-B4C에서의 Sm 농도는 0.5 wt% 이상이다. Gd 또는 Sm의 농도 상한은 조성에서의 대략 공정점(eutectic point)이다. 예를 들면, Gd에 대한 바람직한 상한은 약 23 중량%이며, Sm은 약 15 중량%이다. 이들 레벨까지의 Gd와 Sm의 농도(알루미늄 매트릭스에서의 중량%로써 상기에서 주어진)는 흡수율이 이 파라미터에 의존하기 때문에 중성자 에너지의 범위 전체에 걸쳐 향상된 중성자 흡수를 보장하는데 유용하다. Gd와 Sm 함량을 증가시키는 것은 또한 혼합물의 유동성을 증가시키기 때문에 재료의 주조를 쉽게 한다. 그러나, 공정점을 현저하게 초과하는 농도는 주조성에 유해한 큰 Gd 또는 Sm 1차 입자(primary)를 형성할 수 있어 유용하지 못하며, 중성자 흡수 향상에 덜 효과적이다. 석출된 Gd 또는 하함유 금속간화합물은 전형적으로 0.1 내지 10 ㎛ 범위의 크기를 가질 것이다.
전술한 바와 같이, 중성자 흡수재의 효과는 입자 분포 및 형태(morphology)에 영향을 받을 수 있다. 알루미늄 매트릭스내에 자연적으로 발생하는 무질서한 B4C의 분포는 비균일 분포에 의한 채널링이 얻어질 수 있다. 이는 도 3의 (a)에 도시되어 있다. Gd 및 Sm 성분, 예를 들면 Al3Gd 및 Al3Sm 금속간화합물 형태는 알루미늄 셀 입계를 점유하여 미세 규모로 더욱 균일한 분포를 가진다. 이는 도 3의 (b)에 도시되어 있으며, N1, N2 및 N3의 채널링은 금속간화합물 입자의 첨가에 의해 경감되는 것을 도시한다. 주조 복합재료에 이들 금속간화합물을 결합하는 것은 중성자 방출에 대한 채널링 효과를 크게 감소시키며, 따라서 더 나은 중성자 차폐를 제공한다. 이는 도 3의 (c)에 도시되어 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 다양한 핵 폐기물 저장 요구에 부응하기 위해 다른 기계적 및/또는 재료 특성을 생성하도록 Al-B4C-Gd 및 Al-B4C-Sm MMCs에 다른 합금화원소 Si, Mg, Mn 등을 적절한 열처리와 조합하여 사용할 수 있다.
B4C의 상당한 양을 대체하기 위해 Gd 또는 Sm을 첨가하는 것은 주조 및 하류의 제조공정을 간략화할 수 있다. 특정 중성자 흡수를 달성하기 위한 비교적 소량의 Gd 또는 Sm 첨가에 의해, 복합재료는 기계적 특성, 용접성 및 내부식성을 유지할 수 있다.
또한, Al-B4C-Gd 및 Al-B4C-Sm MMCs는 압출형상 또는 압연플레이트 및 시트로의 추가 처리를 위한 최종 사용을 위해 주물형상, 주조 빌렛 또는 잉곳과 같은 제품으로 제조될 수 있다.
또한, 본 발명은 알루미늄 매트릭스내에 입자형태의 중성자 흡수 화합물을 함유하는 중성자 흡수 주조 복합재료를 제공하며, 입자의 크기 분포는 B4C 또는 Al-붕소화물 금속간화합물을 포함하는 큰 입자 분포, 및 TiB2 또는 (AlTi)B2, Sm-알루미늄 금속간화합물 또는 Gd-알루미늄 금속간화합물을 포함하는 작은 입자 또는 석출물의 분포를 갖는 바이모들(bimodal)이다.
실시예 1
시판 Al-4%B 마스터 합금을 사용하여 Al-2.5 wt% B 합금을 준비하였다. 준비된 재료의 고체 시료의 현미경사진은 도 4에 도시되어 있으며, 이러한 재료의 특성은 큰 AlB2 금속간화합물 입자를 나타낸다. 용융 후에, 재료를 800℃에서 2시간 유지시켜 최초의 큰 붕소함유 입자(AlB2)를 부분적으로 용해시켰다. 그 후, 0.7 wt% Ti를 용탕내로 첨가하여 매우 미세한 인사이튜 붕소함유 종(TiB2 또는 (AlTi)B2)을 형성시켰으며, 복합재료는 잉곳형태로 후속적으로 주조되었다. 도 5는 잉곳으로부터 취해진 시료의 현미경사진이며, 이들 미세 종(fine species)이 최초의 주조합금의 큰 AlB2 입자 사이에 균일하게 위치된 것을 도시한다.
실시예 2
시판 Al-4%B 마스터 합금을 사용하여 Al-1.0 wt% B 합금을 첫번째로 준비하였다. 용융 후에, 3.0 wt% B4C 분말을 용탕에 첨가시켜 Al-B4C-B 복합재료를 형성시켰다. 용융 복합재료를 800℃에서 2시간 유지시켜 최초의 큰 붕소함유 입자(AlB2 및 B4C)를 부분적으로 용해시켰다. 그 후, 0.3 wt% Ti를 용융 복합재료내로 첨가하고, 그 후 복합재료를 원통형 잉곳형태로 주조하였다. 도 6은 이 처리된 복합재료로부터 잉곳 주물로부터 취해진 시료를 도시하며, 인사이튜 형성된 다수의 미세한 붕소함유 종(TiB2 또는 (AlTi)B2)이 나타나며, 큰 AlB2 및 B4C 입자 사이의 갭을 충전하도록 충분히 분포되어 있다.
실시예 3
Al-B4C-Gd 복합재료를 준비하였다. 첫번째로, 2 wt% Gd를 용융 알루미늄에 첨가시켜 Al-2% Gd 합금을 제조하였다. 그 후, 8 wt% B4C 분말을 이 용융 합금에 첨가하여 Al-8% B4C-2% Gd 복합재료를 형성하고, 그 후 이 복합재료는 원통형 잉곳형태로 주조하였다. 주조 잉곳으로부터 도 7에 현미경사진으로 도시된 시료를 취하였으며, 잉곳의 고화(solidification) 동안, 미세 Gd-Al 금속간화합물이 형성되어 알루미늄 입계를 점유하는 것을 나타낸다. 주조 Al-B4C 복합재료내에 이들 금속간화합물을 결합시키는 것은 큰 중성자 흡수 화합물(B4C) 사이의 간격을 크게 감소시킨다.
실시예 4
다양한 Al-B4C-Sm 복합재료를 준비하였다. 첫번째로, 1 내지 5 wt% Sm을 용융 알루미늄에 첨가시키고, 그 후 5 내지 10 wt% B4C 분말을 용융 합금에 첨가하여 Al- B4C-Sm 복합재료를 형성하였다. 고화 동안, 미세 Sm-Al 금속간화합물이 알루미늄 입계에 형성된다. 주조잉곳으로부터 취해진 시료는 도 7에 도시된 바와 같은 Al-B4C-Gd와 매우 유사한 Al-B4C-Sm의 미세구조가 나타나며, 큰 B4C 입자와 미세한 Sm-Al 금속간화합물 석출물의 바이모들 분포가 발견되었다.
실시예 5
용융 알루미늄내로 탄화물분말을 교반시키는 것에 의해 Al- 4 wt% B4C 용융 복합재료를 준비하였다. 이 재료의 고체 시료는 도 8에 도시되어 있으며, 큰 B4C 입자의 분포가 나타난다. 용융 복합재료를 800℃에서 2시간 유지시켜 최초의 큰 붕소함유 입자(B4C)를 부분적으로 용해시켰다. 그 후, 1.0 wt% Ti를 용탕내로 첨가시켜 다수의 미세 인사이튜 붕소함유 종(TiB2 또는 (AlTi)B2)를 형성하고 후속적으로 주조하였다. 도 9는 주조잉곳으로부터 취해진 시료의 현미경사진을 도시하며, B4C 입자 사이의 갭을 충전하도록 이들 미세 종이 큰 B4C 입자 사이에 균일하게 배치된 것을 나타낸다.
본 발명의 방법 및 제품의 상세한 기술은 본 발명의 주 실시예를 도시하는데 이용된 것이다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 방법에 있어서 다양한 변형이 가능하며, 다양한 다른 실시예가 이용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 청구범위의 기술사상을 일탈하지 않는 범위내에서 본 발명의 방법 및 제품은 다양한 변형이 가능하다.

Claims (16)

  1. 알루미늄계 주조 복합재료에서의 중성자 흡수방법에 있어서,
    (a) 알루미늄합금 매트릭스 및 하나 이상의 알루미늄-붕소 금속간화합물 또는 B4C로부터 비교적 큰 붕소함유 입자를 함유하는 용융 복합재료를 준비하는 단계,
    (b) 붕소함유 입자를 부분적으로 용해시키도록 충분한 온도 및 시간으로 상기 복합재료를 가열하고, 그 후 복합재료내에 미세 티타늄 2붕소화물 입자의 어레이를 형성하도록 상기 용융 복합재료에 티타늄을 첨가하고, 상기 복합재료를 주조하는 단계; 또는
    상기 용융 복합재료 또는 상기 용융 복합재료를 제조하기 위해 사용된 용융 알루미늄 매트릭스에 가돌리늄 또는 사마륨을 첨가하고, 주조 복합재료내에 Gd-Al 또는 Sm-Al의 미세 입자를 석출시키도록 복합재료를 주조하는 단계를 포함하며,
    상기 미세 입자 또는 석출물은 중성자 흡수재로 큰 붕소함유 입자 주위의 갭을 충전시키는 것을 특징으로 하는 중성자 흡수방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합재료는 700 내지 850℃ 범위의 유지온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 중성자 흡수방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복합재료는 상기 유지온도에서 15분 이상 유지되는 것을 특징으로 하는 중성자 흡수방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복합재료는 상기 유지온도에서 0.5 내지 4시간 유지되는 것을 특징으로 하는 중성자 흡수방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    티타늄을 0.2 내지 2.0 wt% 첨가하는 것을 특징으로 하는 중성자 흡수방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 티타늄 2붕소화물 입자는 TiB2 또는 (AlTi)B2 입자인 것을 특징으로 하는 중성자 흡수방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 티타늄 2붕소화물 입자는 0.1 내지 5. 0 ㎛ 범위를 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 중성자 흡수방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 용융 복합재료에 0.2 내지 23.0 wt% 범위의 Gd를 첨가하는 것을 특징으로 하는 중성자 흡수방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 용융 복합재료에 0.5 내지 15.0 wt% 범위의 Sm을 첨가하는 것을 특징으로 하는 중성자 흡수방법.
  10. 알루미늄 매트릭스내에 입자형태의 중성자 흡수 화합물을 포함하는 중성자 흡수 주조 복합재료에 있어서,
    상기 입자는 B4C 또는 알루미늄-붕소 금속간화합물을 포함하는 큰 입자 분포 및 중성자 흡수재로 큰 붕소함유 입자 주위의 갭을 충전시키는 TiB2, Sm-알루미늄 금속간화합물 또는 Gd-알루미늄 금속간화합물을 포함하는 작은 입자 또는 석출물 분포를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조 복합재료.
  11. 제 10 항에 있어서,
    0.2 내지 2.0 wt% 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조 복합재료.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 TiB2 또는 (AlTi)B2의 작은 입자는 0.1 내지 5.0 ㎛ 범위의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 주조 복합재료.
  13. 제 10 항에 있어서,
    0.2 내지 23.0 wt% 범위의 Gd를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조 복합재료.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 복합재료는 0.5 내지 15.0 wt% 범위의 Sm을 포함하는 원통형 잉곳형태로 주조되는 것을 특징으로 하는 주조 복합재료.
  15. 제 10 항에 있어서,
    Gd 또는 Sm함유 금속간화합물은 0.1 내지 10.0 ㎛ 범위의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 주조 복합재료.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 B4C 또는 알루미늄-붕소 금속간화합물의 큰 입자는 15 ㎛ 이상의 평균크기를 갖는 것을 특징으로 하는 주조 복합재료.
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