一种环形弥散燃料芯坯成型模具及成型方法与流程

本发明属于燃料组件设计技术，具体涉及一种环形弥散燃料芯坯成型模具及成型方法。

背景技术：

套管型弥散燃料元件主要部件为环形弥散燃料芯坯，由u3si2粉末与铝粉压制而成环形，芯坯与材料为t6061al端塞和包壳组成复合坯，通过共挤压成形为燃料管。芯坯属于陶瓷型弥散燃料，芯坯成型工艺对芯坯的性能具有极大影响，也决定着燃料管的制造质量。

套管型弥散燃料元件，作为我国高通量工程试验堆燃料元件，具有辐照稳定性好、导热性能好、抗腐蚀、能承受应力、使用寿命长、燃耗深等优点。套管型弥散燃料元件芯坯的制备工艺主要包括粉末制备工艺、冷压成型工艺和烧结工艺。

u3si2粉末与铝粉密度比约为4.5，因此芯坯成型后u3si2粉末均匀弥散在铝基体中就有很大的困难，成型模具设计及成型方法就成了要突破的关键技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种环形弥散燃料芯坯成型模具及方法，能够满足环形弥散燃料芯坯的制备要求，辐照稳定性好、导热性能好。

本发明的技术方案如下：

一种环形弥散燃料芯坯成型模具，包括阴模、位于阴模内的芯杆、上冲头和下冲头，所述的阴模和芯杆具有间隙，所述的上冲头的下端位于间隙内，所述的下冲头的上端位于间隙内，且上冲头套在芯杆的上端外部，下冲头套在芯 杆的下端外部，所述的上冲头和下冲头之间设有成型垫。

在上述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具中：所述的上冲头和下冲头由驱动机构使其在间隙内上下移动。

在上述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具中：所述的阴模与设在其外部的工作平台固定。

在上述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具中：所述的上冲头上端设有上压盖。

在上述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具中：所述的下冲头的下端设有下压盖和底座，下压盖设于下冲头的下端，下压盖与底座固定。

在上述的一种环形弥散燃料芯坯成型模具中：所述的阴模的外壁上设有凸台，在中间加工有通孔，通孔的内壁上端为倒置的锥面，下端为圆柱面，倒置的锥面上加工有台阶。

一种环形弥散燃料芯坯成型方法，方法包括如下步骤：

步骤1、u3si2粉末与铝粉混和原料制备

1)铝粉准备

将flt1铝粉烘干后过320目筛网，flt3铝粉烘干后过160目筛网；上述两种筛好的铝粉按照配比为1：3进行混合，形成制备好的铝粉；

2)u3si2粉末准备

将u3si2粉末依次经过240目筛网、320目筛网和500目筛网，落于320目筛网的粉粒和落于500目筛网上的粉粒收集起来，混合之后经过180目筛网之后，形成制备好的u3si2粉末；

3)配料

将上述制备好的铝粉和制备的u3si2粉末混合，使得u3si2质量分数占总 数的72％～76％；

4)混料

将上述配料装入混料罐进行混料，混料时间60～90min，转数30～40r/min；

步骤2、润滑剂制备

取40～80g硬脂酸锌，加入容器中，加入500ml四氯化碳用电炉加热80～120°，使之溶解，然后用40～80目筛网将大颗粒过滤出去之后，得到制备好的润滑剂；

步骤3、模具安装

1)将上述的模具的阴模内壁、芯杆外壁、上冲头的下端面、下冲头的上端面用酒精擦洗干净；

2)将阴模安装工作平台上；

3)将下冲头固定在下油缸上，测量下冲头和阴模之间的工作间隙，调整下冲头位置位于中心；

4)上冲头固定安装在上油缸上，测量上冲头和阴模之间的工作间隙，调整上冲头位置位于中心；

步骤4、喷涂润滑剂

利用上述制备好的润滑剂，对阴模的内壁表面、上冲头的下端面和下冲头的上端面进行喷涂润滑，吹干，润滑剂喷涂均匀；

步骤5、装料

然后将下冲头利用下油缸驱动上升至模口，按照给定速度3～5mm/s缓慢下降，进行吸入式装料；

步骤6、压制

安装成型垫，驱动上冲头向下运动和下冲头向上运动，同时进行双方向压 制，运动速度为1～2mm/s，保压时间6～10s；

驱动上冲头向上移动，上冲头抬起，利用下冲头把压制好的芯坯向上推出。

在上述环形弥散燃料芯坯成型方法中：所述的步骤5，首先将落料漏斗安装在工作平台上，将三爪锥形落料器安装在模具的芯杆上，使粉末周向均匀落料至阴模和芯杆之间的间隙内。

本发明的显著效果在于：

采用本方法制备的芯坯壁厚偏差控制在0.10mm以内，偏差幅度为厚度的1.7％～2％，高度波动范围在1％以内，芯坯尺寸精度和表面质量控制良好。目前使用环形弥散燃料芯坯制备的套管型弥散燃料元件，铀分布均匀性控制在±20％以内，总合格率达到85％以上，达到国际领先水平。

通过设计环形芯坯的专用成型模具，制订u3si2粉末与铝粉混料和压制工艺，保证了u3si2+al环形芯坯制备质量，为套管型弥散燃料元件的批量化生产提供有利的技术和装备支持。

附图说明

图1为环形弥散燃料元件芯坯成型模具示意图；

图2为上冲头示意图；

图3为阴模示意图；

图4为下冲头示意图；

图中：1.上冲头；2.下冲头；3.成型垫；4.阴模；5.芯杆；6.上压盖；7.工作平台；8.下压盖；9.底座。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，成型模具包括阴模4、位于阴模4内的芯杆5、上冲头1和下 冲头2。阴模4和芯杆5具有间隙，上冲头1的下端位于间隙内，下冲头2的上端位于间隙内，并且上冲头1套在芯杆5的上端外部，下冲头2套在芯杆5的下端外部。上冲头1和下冲头2可利用驱动机构，使其在间隙内上下移动。在上冲头1和下冲头2之间安装成型垫3，成型垫3在压制时用于形成芯坯。

阴模4的外壁上加工凸台，阴模4与工作平台7固定安装。

在上冲头1上端安装上压盖6。

在下冲头2的下端安装下压盖8和底座9，下压盖8安装在下冲头2的下端，通过螺栓将下压盖8与底座9固定安装。

如图2所示，上冲头1的上端加工有翻边，上压盖6位于上述的翻边下方，与上冲头1固定安装。

如图3所示，阴模4的外壁上加工凸台，在中间加工有通孔，通孔的内壁上端为倒置的锥面，下端为圆柱面，倒置的锥面上加工有台阶。阴模4的凸台安装时卡在工作平台7的内壁上，使得阴模4与工作平台7固定安装。

如图4所示，下冲头2为筒形，下端加工有法兰面，法兰面上加工有安装孔，上述下压盖8位于法兰面下方，下冲头2通过在法兰面的安装孔内安装螺栓将下冲头2与下压盖8固定安装。

环形弥散燃料芯坯成型方法的步骤如下：

步骤1、u3si2粉末与铝粉混和原料制备，具体为

1)铝粉准备

将flt1铝粉烘干后过320目筛网，flt3铝粉烘干后过160目筛网；上述两种筛好的铝粉按照配比为1：3进行混合，形成制备好的铝粉；

2)u3si2粉末准备

将u3si2粉末依次经过240目筛网、320目筛网和500目筛网，落于320 目筛网的粉粒和落于500目筛网上的粉粒收集起来，混合30min，之后经过180目筛网之后，形成制备好的u3si2粉末；

3)配料

将上述制备好的铝粉和制备的u3si2粉末混合，使得u3si2质量分数占总数的72％～76％，这样能保证铀密度控制在3.9～4.4g/cm3；

4)混料

将上述配料装入混料罐(本实施例中粉末体积占混料罐体积的1/3)，固定在三位混料机上进行混料，混料时间60～90min，转数30～40r/min；

步骤2、润滑剂制备

取40～80g硬脂酸锌，加入容器中，加入500ml四氯化碳用电炉加热80～120°，使之溶解，然后用筛网(40～80目)将大颗粒过滤出去之后得到制备好的润滑剂；

步骤3、模具安装

1)将上述的模具的阴模内壁、芯杆外壁、上冲头的下端面、下冲头的上端面用酒精擦洗干净；

2)将阴模4安装工作平台7上；

3)将下冲头2固定在下油缸上，测量下冲头2和阴模4之间的工作间隙，调整下冲头2位置位于中心；

4)上冲头1固定安装在上油缸上，测量上冲头1和阴模4之间的工作间隙，调整上冲头1位置位于中心；

步骤4、喷涂润滑剂

将上述制备好的润滑剂用喷枪对阴模4的内壁表面、上冲头1的下端面和下冲头2的上端面进行喷涂润滑，然后用电吹风吹干，润滑涂层薄厚一定 要均匀，以目视观察润滑剂涂层，涂层颜色均匀，无大颗粒、无遗漏现象为准；

步骤5、装料

将落料漏斗安装在工作平台7上，将三爪锥形落料器安装在模具的芯杆5上，这样使粉末能在周向均匀落料至阴模4和芯杆5之间的间隙内；

然后将下冲头2利用下油缸驱动上升至模口，即下冲头2的上端面与阴模4的上表面同一高度，然后按照给定速度(3～5mm/s)缓慢下降，进行吸入式装料；

步骤6、压制

将成型垫放置在阴模4外，位于原料之中；

利用油缸驱动上冲头1向下运动和下冲头2向上运动，同时进行双方向压制，运动速度为1～2mm/s，保压时间6～10s；

油缸驱动上冲头1向上移动，上冲头1抬起，利用下冲头2把压制好的芯坯向上推出。