一种含钆钨元素的铝基复合材料及其应用的制作方法

本发明属于核能乏燃料的运输与存储技术领域，具体涉及一种含钆钨元素的铝基复合材料及其应用。

背景技术：

核能的发现和应用是二十世纪人类最伟大的科学技术成就之一，其是可大规模替代化石能源、满足不断增长的电力需求、改善能源消费结构，特别是缓解温室气体排放的能源。在我国，积极发展核能已被列为国家中长期发展规划的能源战略之一。然而，人类在享受核电带来的巨大能源福利的同时，却面临乏燃料带来的严峻挑战。乏燃料中含有许多燃烧裂变后的放射性同位素，具有极强的α、β和γ放射性，伴有一定量的中子释放率，并放出热量。乏燃料是在经过燃烧的核燃料在不满足发电功率与经济效率时所形成，其中含有的燃烧裂变后的放射性同位素的半衰期不相同，如碘-131(8天)、铯-137(30年)、铯-135(2,300,000年)、锶-90(28年)、钚-239(24,000年)等。为了避免对环境的污染和对人体健康的危害，乏燃料必须得到妥善的存储与管理。据统计，目前全世界各核电站产生的乏燃料总量已超过30万吨，主要存放在核电厂内。美国的核电站大多运行有40-50年，核电站囤积了大量乏燃料，电站内水池面临着乏燃料饱和问题；特别是在核电站延寿后，更加剧了问题的严重性与紧迫性。虽然我国商用核电起步较晚，但秦山一期核电机组也运行近30年，而且每年以4～5台核电机组的速度增加。未来核电站中的乏燃料状况将与美国现状相似，乏燃料处置与存储必将成为制约我国核电发展的瓶颈。到2020年，每年将卸下超过1000吨的乏燃料，总存量将达到7500～10000吨，2030年将达到20000～25000吨。如此庞大的乏燃料总量对其管理与存储提出了严峻的挑战。在获得长期乏燃料存储的有效方法前，开发临时干式存储是一个合适与优选方法，其关键在于存储格架上置放的中子吸收材料，其是为了防止乏燃料的中子反应临界。

现有的中子吸收候选材料，主要利用了b、in、cd、dy、hf、gd等较大中子吸收截面元素的特性，如研制的硼钢、含硼有机聚合物、硼铝合金、al基b4c复合材料(al/b4cmmcs)、ag-in-cd合金等。硼钢具有优良的高强度和耐腐蚀性等特性，但b在钢中的溶解度低，会析出硼化物，如(fe，cr)2b，导致其塑韧性下降明显，加工性变差；含量高于2.25wt.％b的不锈钢加工很困难。含硼有机聚合物不具备像金属基中子吸收材料的机械性能，只能单纯作为功能材料使用；同时由于乏燃料存储容器中的γ射线剂量强，其将对有机聚合物产生明显的电离损伤，导致其老化严重，短时间内机械性能下降非常明显；而且含硼有机聚合物使用温度一般较低，因此，不适合作为乏燃料存储格架用中子吸收材料。eaglepicher公司以富集度95％的¹⁰b作为硼源，分别以1100系和6351系al合金为基体，开发出两种硼铝合金用作乏燃料存储格架用中子吸收材料；其中1100系铝合金机械性能较差，只能功能性地作为中子吸收材料，而6351系铝合金则能同时作为结构材料和功能材料。目前，研究最为广泛的是b4c颗粒增强铝基复合材料，但由于al/b4cmmcs没有外层包覆，b4c颗粒直接暴露在外，其与水或水蒸汽接触后，发生氧化反应生成b2o3，进一步生成具有挥发性的hbo2/h3bo3，其从材料表面逸出导致硼流失。同时b的(n，α)反应产生氦，形成氦泡，不仅显著增加辐照损伤、导致材料肿胀与开裂，更加速了b从样品中流失，降低了材料使用寿命，这将限制含b材料在乏燃料干式存储罐中长期使用。¹¹⁵in(162barns)和¹¹³cd(20600barns)元素常合金化形成ag-in-cd合金，其具有很强的中子吸收能力，常作为核反应堆堆芯黑控制棒用中子吸收材料；另外¹¹³cd的丰度为12.26％，虽然价格低廉，但强度和耐腐蚀性差，毒性高。天然钆(gd)具有两种极高的中子吸收截面同位素¹⁵⁵gd(60,900barns)和¹⁵⁷gd(254,000barn)，丰度分别为14.80％和15.65％，是优异的中子吸收核子元素。如图1所示，对于热中子(0.0253ev)，铝基中7％质量分数gd2o3就可以达到与30％b4c相同的中子吸收效果。利用钆的优良中子吸收性能，美国爱达荷国家实验室研究了一种抗腐蚀的镍-铬-钼-钆合金中子吸收材料；这种材料被视为一种长期控制乏燃料临界的中子吸收材料，已初步应用于yuccamountain乏燃料贮藏室中；但该类中子吸收材料目前仍处于实验室中试制备阶段。另外，需要提及的是，元素¹³⁵xe(2,000,000barns)虽然其热中子吸收截面极大，但其为气态，不容易固化，难以作为中子吸收材料。

实际上，乏燃料不仅仅继续释放出强剂量中子流，而且同时释放出极强的α、β、γ射线。由于乏燃料仍然被包壳材料包裹，用于存储格架的中子吸收材料板几乎不遭受α和β射线辐照，而遭受的γ射线剂量率将达到(0.1～10)x10³gyh^-1。因此，理想的乏燃料存储格架用的屏蔽材料板不仅仅要具有高效的中子吸收能力，同时具备优异的防γ射线的功能。而目前常用的中子吸收材料，如硼钢、含硼有机聚合物、硼铝合金、al/b4cmmcs、ag-in-cd合金等则只能起到吸收中子作用。因此，寻找并成功研制出既能吸收中子也能防γ射线的乏燃料存储格架用的屏蔽材料迫在眉睫，这具有重要的工程应用前景和价值。

目前，市场上的主流中子/γ射线复合屏蔽材料大都是分体式，使用时，分别将中子屏蔽材料和γ射线屏蔽材料组合后使用，存在占用体积大，结构复杂，使用和清洗维护不方便等缺点。同时，传统的γ射线屏蔽材料还是铅基材料为主，由于其易挥发，毒性大，回收处理难等缺点，严重限制其在屏蔽材料领域中应用。因此，开展新型中子/γ射线复合屏蔽材料，采用无毒无害的γ射线屏蔽元素替代铅元素，是非常紧迫与必需的。由于重金属钨的优异特性，以钨元素为主的有机材料、金属基复合材料和合金成为γ射线屏蔽材料研究的新方向；更重要的是，相对于铅，钨具有熔点高、高温稳定性好，耐腐蚀性强、特别是环保无害等优势。钨元素在辐射防护领域越来越受到关注与应用；如图2所示，钨和钆的γ射线质量衰减系数与铅近似。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，针对现有乏燃料存储格架用中子吸收材料的不足，基于^155/157gd的优异中子吸收性能以及w元素的优异γ射线防护能力，采用粉末冶金工艺研制出含钆钨元素的铝基复合屏蔽材料并将其应用于乏燃料存储格架中，提供一种含钆钨元素的铝基复合材料及其应用。

本发明的技术方案之一：

一种含钆钨元素的铝基复合材料，包括6063铝合金基体和作为弥散相分布于6063铝合金基体中的氧化钆和钨，上述烘干氧化钆的量占粉末总量的5-50wt％，烘干纯钨粉末的量占粉末总量的10-80wt％。

本发明的技术方案之二：

一种铝基复合板材，由上述铝基复合材料制成。

本发明的技术方案之三：

一种含钆钨元素的铝基复合板材的制备方法，包括如下步骤：

(1)在惰性气体保护下，将纯度99.0％以上的烘干氧化钆(gd2o3)粉末、纯度99.0％以上的烘干纯钨(w)粉末和纯度99.0％以上的烘干6063铝合金粉末进行称量后混合，再加入过程控制剂硬脂酸并使其最终质量浓度不超过1.5wt.％，得到初始混合粉末，上述烘干氧化钆的量占粉末总量的5-50wt％，烘干纯钨粉末的量占粉末总量的10-80wt％；

(2)将上述初始混合粉末在球料比1-15∶1、装填系数0.1-0.9且球磨转速100-1200rpm的条件下，按照球磨45-55min-停止5-15min的方式球磨1-180h，得到球磨粉末；

(3)将上述球磨粉末在压力100-300mpa的条件下冷等静压0.5-10h以压制成坯体；将该坯体置于惰性气体保护下在450-650℃烧结1-10h，获得含钆钨元素的铝基复合材料的圆柱形坯锭；将该圆柱形坯锭加热至450-650℃并保温5-60min，然后进行热轧，该热轧具体为：先以每次压下量5-10％进行交叉轧制，轧制道次2-9次，然后再进行单向轧制，每次压下量15-25％，轧制道次2-5次，以获得所需要尺寸的板材；将该板材在100-250℃进行0.5-5h的热处理，以改善板材的微观组织结构和综合性能，获得所述铝基复合板材；

或将上述球磨粉末置于模具中，将模具放置在真空热压烧结炉的炉腔内，通过30-100mpa预压力保持5-30min将混合粉末压实，然后将炉腔抽真空至10^-3pa以下；施加50-200mpa压力，然后以5-30℃/min的升温速率升至390-400℃，并保温0.5-5h，然后再以5-30℃/min的速率升温至450-650℃进行热压烧结1-20h，随后以5-20℃/min的降温速率冷却至室温获得热压烧结圆柱形坯锭；将该圆柱形坯锭加热至450-650℃并保温5-60min，然后进行热轧，该热轧具体为：先以每次压下量5-10％进行交叉轧制，轧制道次2-9次；然后再进行单向轧制，每次压下量15-25％，轧制道次2-5次，以获得所需要尺寸的板材；将该板材在100-250℃进行0.5-5h的热处理，以改善板材的微观组织结构和综合性能，获得所述铝基复合板材。

在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(3)为：将所述球磨粉末在压力250mpa的条件下冷等静压2h以压制成坯体；将该坯体置于惰性气体保护下在600℃烧结1-6h，获得含钆钨元素的铝基复合材料的圆柱形坯锭；将该圆柱形坯锭加热至600℃并保温10min，然后进行热轧，该热轧具体为：先以每次压下量5％进行交叉轧制，轧制道次5次，然后再进行单向轧制，每次压下量15％，轧制道次3次，以获得所需要尺寸的板材；将该板材在200℃进行2h的热处理，以改善板材的微观组织结构和综合性能，获得所述铝基复合板材。

在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(3)为：将所述球磨粉末置于模具中，将模具放置在真空热压烧结炉的炉腔内，通过30mpa预压力保持30min将混合粉末压实，然后将炉腔抽真空至10^-3pa以下；施加200mpa压力，然后以5℃/min的升温速率升至400℃，并保温0.5h，然后再以5℃/min的速率升温至650℃进行热压烧结1h，随后以5℃/min的降温速率冷却至室温获得热压烧结圆柱形坯锭；将该圆柱形坯锭加热至650℃并保温5min，然后进行热轧，该热轧具体为：先以每次压下量10％进行交叉轧制，轧制道次2次；然后再进行单向轧制，每次压下量25％，轧制道次3次，以获得所需要尺寸的板材；将该板材在250℃进行0.5h的热处理，以改善板材的微观组织结构和综合性能，获得所述铝基复合板材。

在本发明的一个优选实施方案中，所述惰性气体为氩气和/或氦气，其作用是隔绝氧气并保持一定压强，同时气体本身不参与反应。

本发明的技术方案之四：

一种铝基复合板材用于制备乏燃料存储格架的应用，所述铝基复合板材为上述的铝基复合板材，或为根据上述制备方法所制备的铝基复合板材。

本发明的技术方案之五：

一种乏燃料存储格架，由上述铝基复合材料制成。

本发明的技术方案之六：

一种乏燃料存储格架，由上述铝基复合板材制成，或由根据上述制备方法所制备的铝基复合板材制成。

本发明的有益效果是：

1、本发明的含钆钨元素的铝基复合材料同时具有优异稳定的中子吸收能力和γ射线屏蔽能力，显著根除了现有分体式中子屏蔽材料与γ射线屏蔽材料组合使用时的占用体积大，结构复杂，使用和清洗维护不方便等缺点；用与中子发生(n，γ)反应的gd元素替代与中子发生(n，α)反应的b元素作为中子吸收元素，根除了实际中(n，α)反应产生he，以减小材料的辐照肿胀与开裂等降低服役寿命的不利因素；使用具有熔点高、高温稳定性好、耐腐蚀性强、特别是环保无害的优异γ射线屏蔽w元素，根除了现有γ射线屏蔽铅基材料的易挥发、毒性大、回收处理难等缺点。

2、本发明采用粉末冶金工艺，通过球磨-(冷等静压与气体保护烧结，或真空热压烧结)-轧制-热处理等过程，即：球磨法使得6063铝合金粉末、氧化钆粉末和钨粉充分细化、均匀混合；再经过冷等静压预压坯并在惰性气体保护下烧结，或者真空热压烧结；最后经过先交叉轧制再单向轧制并热处理，以获得含钆钨元素的铝基复合材料板材。所需设备和工艺简单，易操作，制备成本低。制得的含钆钨元素的铝基复合材料板材同时具有优异稳定的中子吸收能力和γ射线屏蔽能力；优良的热传导性能、低的热膨胀系数、优异的力学性能和抗中子辐照性能、良好的机械稳定性能等，材料结构稳定；gd2o3弥散分布在铝基体中，可以充分发挥钆元素优异的中子吸收的核子特性；w也弥散分布在铝基体中，可以充分发挥钨元素对γ射线的优异屏蔽特性。

3、根据核子特性计算、γ吸收分析、相关性能测算以及实际应用中对板材尺寸加工性能的要求等可知，本发明的含钆钨元素的铝基复合材料板材是优异的乏燃料存储格架用放射性屏蔽复合材料，满足对乏燃料的中子屏蔽性能和γ射线屏蔽性能的所有要求。含钆钨元素的铝基复合材料板材的核心是利用钆元素具有极大中子吸收截面的性能和钨元素具有良好的γ射线吸收性能。氧化钆的熔点2420℃，钨的熔点3422℃，具有优异的稳定性。金属铝具有良好的塑韧性能作为基体。在烧结或高能球磨下氧化钆与铝发生部分反应，生成gd3al5o12等弥散分布在铝基体中，但不影响材料的中子吸收性能，因为中子吸收性能决定于gd元素。含钆钨元素的铝基复合材料板材在服役过程中尺寸稳定。因此，本发明的含钆钨元素的铝基复合材料板材能够作为乏燃料存储格架用中子屏蔽和γ射线屏蔽材料。

附图说明

图1为背景技术中的中子吸收效果图。

图2为背景技术中铅、钨和钆的γ射线质量衰减系数对比图。

图3为本发明实施例1中al-25wt.％gd2o3-25wt.％w混合粉末经过不同球磨时间的x射线衍射图谱。

图4为本发明实施例1中不同球磨时间的al-25wt.％gd2o3-25wt.％w混合粉末的扫描电子显微镜形貌；其中4-a为球磨5h的低倍形貌，4-b为球磨60h的低倍形貌，4-c为球磨5h高倍形貌，4-d为球磨60h的高倍形貌。

图5为本发明实施例1中球磨30h的al-25wt.％gd2o3-25wt.％w混合粉末的透射电子显微镜明场像以及选区电子衍射花样。

图6为本发明实施例1中球磨30h的al-25wt.％gd2o3-25wt.％w混合粉末经过冷等静压预压坯，然后在600℃烧结1h，3h和6h的显微硬度随烧结时间的演变结果。

图7为本发明实施例1中球磨30h的al-25wt.％gd2o3-25wt.％w混合粉末经过冷等静压预压坯，然后在600℃烧结6h所获块体，再在600℃经过轧制，随后在200℃热处理2h的材料在压缩试验中的应力应变曲线。

具体实施方式

以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。

实施例1

取纯度99.5％的烘干氧化钆粉末，纯度99.9％的烘干钨粉末和纯度99.9％的烘干6063铝合金粉末，在惰性气体氩气保护的手套箱中，按照质量百分比al-25wt.％gd2o3-25wt.％w进行称量后混合，加入过程控制剂硬脂酸并使其最终质量占比不超过1.5wt.％。装入球磨罐中并拧紧球磨罐盖子，将上述混合粉末在球料比10∶1、装填系数0.5、转速500rpm的条件下，按照球磨50min-停止10min的方式球磨至180h，球磨过程中的间歇运行可以防止球磨罐温度过高。在惰性气体氩气保护的手套箱中将球磨30h的混合粉末装入橡胶包套中并将封口扎紧，再将扎紧的橡胶包套置于冷等静压仪器中的液压缸内，在压力250mpa的条件下保持2h以获得坯体。随后将坯体置于惰性气体氩气保护的管式炉中在600℃分别烧结1h，3h和6h获得含钆钨元素的铝基复合材料圆柱形坯锭。将圆柱形坯锭加热至600℃并保温10min，然后进行热轧；先以每次压下量5％进行交叉轧制，轧制道次5次；然后再进行单向轧制，每次压下量15％，轧制道次3次，以获得所需要尺寸的板材。将所获的板材在200℃进行2h的热处理，以改善板材的微观组织结构和综合性能。

球磨粉末的物相随球磨时间演变的x射线分析结果如图3所示。从图3中可以得知，随着球磨时间的延长，al、gd2o3和w的衍射峰都发生了宽化，其中gd2o3衍射峰强度明显降低，al和w的强度略有降低。衍射峰宽化的主要原因是粉末的晶粒细化和球磨引起的晶格畸变。经过180h球磨后，在25～35°区域可以观察到明显的非晶鼓包，表明有大量的非晶相生成。高能球磨使al粉末颗粒、gd2o3粉末颗粒、w粉末颗粒细化的同时产生了大量新表面和晶格缺陷，晶粒尺寸减小的同时减小了扩散距离，有利于原子的扩散和重排，同时球磨粉末的活性很高，有利于烧结反应的进行。

图4为球磨5h和60h混合粉末的扫描电子显微镜形貌，可以观察到随球磨时间的增加，颗粒粒径减小。球磨5h的颗粒呈椭圆形；而球磨60h颗粒多呈扁平或圆型，且由许多小颗粒聚集而成。

图5为球磨30h混合粉末的透射电子显微镜明场像和选区电子衍射花样，黑色颗粒主要含gd元素或含w元素，而灰色区域主要含al元素。选区电子衍射花样为典型的纳米晶花样。

图6为球磨30h的a1-25wt.％gd2o3-25wt.％w混合粉末经过冷等静压预压坯，然后在600℃烧结1h，3h和6h的显微硬度随烧结时间的演变结果。显微硬度载荷0.98n，保压时间10s，对同一样品测量10个以上的不同位置的硬度值取平均值。可以得知，对于所有条件，硬度值都大于100，添加钆钨元素后硬度明显大于纯铝合金(～80hv)。另外可以观察到随着烧结时间的增加，烧结块体的显微硬度有所增加。

图7为球磨30h的al-25wt.％gd2o3-25wt.％w混合粉末经过冷等静压预压坯，然后在600℃烧结6h所获块体，再在600℃经过轧制，随后在200℃热处理2h的材料在压缩试验中的应力应变曲线。可以得知材料的抗压强度大约为220mpa，延伸率大约为5.8％。

上述含钆钨元素的铝基复合材料板材经过机械加工后，可以得到形状规则的最终板材，将该板材置于乏燃料存储罐中，与其它部件一起构成一种乏燃料存储格架，可以屏蔽乏燃料产生的中子和伽玛射线。

实施例2

取纯度99.5％的烘干氧化钆粉末，纯度99.9％的烘干钨粉末和纯度99.9％的烘干6063铝合金粉末，在惰性气体氩气保护的手套箱中，按照质量百分比al-15wt.％gd2o3-35wt.％w进行称量后混合，加入过程控制剂硬脂酸并使其最终质量占比不超过1.5wt.％。装入球磨罐中并拧紧球磨罐盖子，将上述混合粉末在球料比1∶1、装填系数0.9、转速1200rpm的条件下，按照球磨50min-停止10min的方式球磨15h，球磨过程中的间歇运行可以防止球磨罐温度过高。将球磨粉末置于模具中，将模具放置在真空热压烧结炉的炉腔内，通过30mpa预压力保持30min将混合粉末压实，然后将炉腔抽真空至10^-3pa以下；施加200mpa压力，然后以5℃/min的升温速率升至约400℃，并保温0.5h；然后再以5℃/min的速率升温至650℃进行热压烧结1h；随后以5℃/min的降温速率冷却至室温获得热压烧结圆柱形坯锭。将圆柱形坯锭加热至650℃并保温5min，然后进行热轧。先以每次压下量10％进行交叉轧制，轧制道次2次；然后再进行单向轧制，每次压下量25％，轧制道次3次，以获得所需要尺寸的板材。将所获的板材在250℃进行0.5h的热处理，以改善板材的微观组织结构和综合性能。

上述含钆钨元素的铝基复合材料板材经过机械加工后，可以得到形状规则的最终板材，将该板材置于乏燃料存储罐中，与其它部件一起构成一种乏燃料存储格架，可以屏蔽乏燃料产生的中子和伽玛射线。

实施例3

取纯度99.5％的烘干氧化钆粉末，纯度99.9％的烘干钨粉末和纯度99.9％的烘干6063铝合金粉末，在惰性气体氩气保护的手套箱中，按照质量百分比al-25wt.％gd2o3-35wt.％w进行称量后混合，加入过程控制剂硬脂酸并使其最终质量占比不超过1.5wt.％。装入球磨罐中并拧紧球磨罐盖子，将上述混合粉末在球料比15∶1、装填系数0.1、转速1200rpm的条件下，按照球磨50min-停止10min的方式球磨至1h，球磨过程中的间歇运行可以防止球磨罐温度过高。在惰性气体氩气保护的手套箱中将球磨1h的混合粉末装入橡胶包套中并将封口扎紧，再将扎紧的橡胶包套置于冷等静压仪器中的液压缸内，在压力300mpa的条件下保持0.5h以获得坯体。随后将坯体置于惰性气体氩气保护的管式炉中在450℃分别烧结10h获得含钆钨元素的铝基复合材料圆柱形坯锭。将圆柱形坯锭加热至450℃并保温60min，然后进行热轧；先以每次压下量5％进行交叉轧制，轧制道次9次；然后再进行单向轧制，每次压下量15％，轧制道次5次，以获得所需要尺寸的板材。将所获的板材在250℃进行0.5h的热处理，以改善板材的微观组织结构和综合性能。

上述含钆钨元素的铝基复合材料板材经过机械加工后，可以得到形状规则的最终板材，将该板材置于乏燃料存储罐中，与其它部件一起构成一种乏燃料存储格架，可以屏蔽乏燃料产生的中子和伽玛射线。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。