本发明属于铝基中子吸收材料制备领域，具体提供一种高温结构功能一体化B4C/Al中子吸收材料的制备方法。该材料可用于制造乏燃料干式贮存、运输容器的格架。
背景技术：
核电站使用过的核燃料一般称为乏燃料，据统计，一台百万千瓦核电机组每年约卸出20吨乏燃料。随着全球核电产业的快速发展，在建和在运核电机组逐渐增多，由此带来的一个重要问题就是从堆芯抽出的高放射性乏燃料的存放或处理问题变得日益突出。
因乏燃料后处理难度大、成本高，目前大多数国家都采取暂时贮存的方式，分为湿法贮存和干式贮存。无论哪种贮存方式，都需要高效中子吸收材料来维持乏燃料次临界。在乏燃料贮存设备中，中子吸收材料主要采用硼钢或常规B4C/Al复合材料。硼钢因为焊接度大、传统B4C/Al因高温性能差等原因，它们在乏燃料贮存格架中使用时，一般由一层薄不锈钢板固定在厚不锈钢骨架外壁形成一种三明治结构。因不锈钢导热性差，尤其是这种三明治结构导热性更差，在乏燃料干式贮存应用中对乏燃料的散热影响较大。
乏燃料干式贮存容器内部通过空气、二氧化碳或惰性气体等冷却乏燃料。容器内部贮存格架长期处于高温环境下，内部温度最高可达375℃，容器设计寿命一般为40-100年。因此，乏燃料贮存格架材料除要求具有良好的中子吸收能力外，还应具有良好的热导率和高温力学性能。
传统B4C/Al中子吸收材料是由微米级碳化硼陶瓷颗粒与常规铝或铝合金基体组成的一种复合材料，主要由粉末冶金法和铸造法制备，除了具有良好的中子吸收能力外，还具有室温力学性能高、热导率高、密度小等优点。与铝基体合金相似，传统B4C/Al中子吸收材料在高温下力学性能下降明显，超过200℃使用时其铝基体中强化析出相会快速长大从而失去高温强化效果，因此很难作为高温结构材料来使用。纳米陶瓷颗粒高温下性能稳定，向传统B4C/Al中子吸收材料中添加纳米陶瓷颗粒来替代基体合金的析出强化相，可望获得具有良好高温力学性能的B4C/Al中子吸收材料。
对现有技术文献检索发现，鲜有专利或者论文有关于高温结构功能一体化B4C/Al中子吸收材料的报道。申请号为201510339908.X的专利“含钪锆的碳化硼颗粒增强铝基复合材料及其制备方法”及论文“Precipitation strengthening of Al–B4C metal matrix composites alloyed with Sc and Zr”(Materials Science and Engineering A，2012；532:462-470)采用含钪和锆的铝基体制备高温B4C/Al中子吸收材料。这种添加钪、锆的铝合金基体虽然较传统铝合金基体具有更好的高温力学性能，但含钪、锆的析出相在长期高温服役环境下仍会缓慢长大从而失去高温强化效果，因此很难适用于乏燃料干式贮存的长期高温环境。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高温结构功能一体化B4C/Al中子吸收材料的制备方法，解决现有传统B4C/Al中子吸收材料因高温力学性能差，在使用时只能包覆在不锈钢骨架内使用的问题，适用于制造乏燃料干式贮存、运输容器格架等领域。
本发明的技术方案是：
一种高温结构功能一体化B4C/Al中子吸收材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)采用高能球磨方法将铝粉球磨成片状铝粉，从而增大铝粉的表面积；
(2)将片状铝粉放入空气炉中预氧化，在铝粉表面形成致密纳米氧化铝膜(10～20nm)；
(3)将预氧化片状铝粉与微米级B4C颗粒混合均匀；
(4)将混合均匀的粉末压制成型；
(5)将压制成型的压坯无压烧结或热压烧结；
(6)将烧结好的坯锭进行锻造、挤压或轧制，获得高温结构功能一体化B4C/Al中子吸收型材或板材。
采用该方法可将一定量的纳米氧化铝引入到纯铝基体中，再通过添加微米级B4C颗粒，可以制备出微米B4C与纳米Al2O3双相增强的铝基中子吸收材料，该材料兼具有中子吸收性能及优异的高温力学性能。
其中：步骤(1)中，所用铝粉可选用气雾化球形铝粉(3～50微米)，球磨过程中添加硬脂酸、石蜡或油酸类过程控制剂，添加量为铝粉重量的0.5～4.5％，通过添加剂的含量及球磨工艺控制片状铝粉的尺寸；球磨过程中球料比为10:1～30:1，转速为50～400转/分，球磨时间4～40h。球磨后片状铝粉的厚度为100～2000nm。
步骤(2)中，片状铝粉在300～450℃空气炉中预氧化3-10小时，保证纳米氧化铝在片状铝粉中的含量为8～14wt％。铝粉预氧化过程同时去除球磨过程中添加的过程控制剂(气化排出)。
步骤(3)中，微米级B4C颗粒通过机械混合或球磨混合均匀，且其含量为5-15wt％，颗粒尺寸为1～30微米。
步骤(4)中，混合粉末冷压成型，压力为50～300MPa，保压时间1～10min。
步骤(5)中，压坯在500～660℃下保温2-20小时，烧结压力为0-150MPa。
步骤(6)中，挤压、锻造、轧制温度为400～600℃；挤压比为(4～50)：1；轧制、锻造过程中每道次压变形量为5～40％，每道次间退火温度为400～600℃，保温0.5～6小时。
本发明的有益效果是：
本发明的高温结构功能一体化B4C/Al中子吸收材料与传统耐B4C/Al中子吸收材料相比，高温下具有优异的力学性能，如在375℃下屈服强度可达85～120MPa，比传统B4C/Al中子吸收材料强度高40～70MPa。而且本发明高温结构功能一体化B4C/Al中子吸收材料的使用状态为退火态，在长时间高温使用前后力学性能变化极小，用于制备乏燃料贮存格架时，可保证其使用寿命。
具体实施方式
实施例1
选用平均粒径10微米的球形铝粉，装入球磨机内，球料比20:1，硬脂酸添加量为铝粉的1.5wt％，球磨工艺：300转/分，球磨时间4小时。球磨后的片状铝粉在400℃空气炉中加热3小时进行预氧化。预氧化后的片状铝粉与10wt％含量、平均粒径15微米的B4C颗粒机械混合，混合时间4小时。混合粉末在200MPa下冷压成型，再放入600℃空气炉中烧结10小时，烧结坯锭在450℃下热挤压成带板，挤压比16:1。挤压后的带板经450℃退火5小时获得最终型材。
采用该实施例制造的高温结构功能一体化B4C/Al中子吸收材料室温下力学性能：屈服强度220MPa，抗拉强度260MPa。375℃下屈服强度90MPa，抗拉强度105MPa。
对比例1
选用平均粒径为10微米的球形铝粉和15微米的10wt％含量B4C颗粒机械混合4小时后在200MPa下冷压成型，再放入600℃空气炉中烧结10小时，烧结坯锭在450℃下热挤压成带板，挤压比16:1。挤压后的带板经450℃退火5小时获得最终型材。采用该实施例制造的常规B4C/Al中子吸收材料室温下力学性能：屈服强度50MPa，抗拉强度56MPa。375℃下屈服强度30MPa，抗拉强度32MPa。
实施例2
选用平均粒径20微米的球形铝粉，装入球磨机内，球料比30:1，硬脂酸添加量为铝粉的1.0wt％，球磨工艺：350转/分，球磨时间5小时。球磨后的片状铝粉在400℃空气炉中加热3小时进行预氧化。预氧化后的片状铝粉与15wt％含量、平均粒径7微米的B4C颗粒机械混合，混合时间4小时。混合粉末在250MPa下冷压成型，再放入600℃真空热压炉中在30MPa下烧结2小时，烧结坯锭在420℃下热挤压成带板，挤压比16:1。挤压后的带板经450℃退火5小时获得最终型材。
采用该实施例制造的高温结构功能一体化B4C/Al中子吸收材料室温下力学性能：屈服强度240MPa，抗拉强度280MPa。375℃下屈服强度105MPa，抗拉强度125MPa。
对比例2
选用平均粒径为44微米的球形6061铝合金粉和7微米的15wt％含量B4C颗粒机械混合后在200MPa下冷压成型，再放入600℃真空热压炉中在30MPa下烧结2小时，烧结坯锭在450℃下热挤压成带板，挤压比16:1。挤压后的带板经T6处理后获得最终型材。采用该实施例制造的常规B4C/6061Al中子吸收材料室温下力学性能：屈服强度280MPa，抗拉强度320MPa。375℃下屈服强度45MPa，抗拉强度49MPa。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。