C中子吸收材料的热处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料热处理领域，尤其是Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，其是一 种用于核反应堆、乏燃料贮存和运输等核辐射场所的铝基碳化硼复合屏蔽材料的热处理方 法。
【背景技术】
[0002] 根据国家核电发展规划，到2020年，我国每年将产生约1000吨乏燃料，如何安全 贮存这些具有高放射性、高毒性的废物将成为严峻问题。中子吸收材料能够对乏燃料进行 安全地贮存和运输，其不仅可以吸收乏燃料自发衰变产生的中子，还能维持乏燃料在次临 界状态，防止放射性物质向外部环境的扩散。
[0003] 乏燃料的贮存分为湿法贮存和干法贮存，前者是将高放射性乏燃料贮存在具有中 子吸收材料格架的水池中，后者则是将乏燃料贮存在由中子吸收材料制备的容器罐中。此 夕卜，将乏燃料从沿海核电站安全转运至后处理厂的过程中，还需要能够屏蔽中子的运输容 器。然而，国内对乏燃料贮存的关键材料一一中子吸收材料的研宄相对滞后、迟缓。
[0004] 国内现有的含硼聚乙烯、含硼不锈钢等中子吸收材料无法满足第三代核电系统的 60年使用寿命，并且贮存密度较低。而Al-B4C复合材料兼有金属铝的塑性和韧性，以及碳化 硼陶瓷的高强度、高刚度、良好中子吸收效果等优点，是一种优良的结构功能一体化材料。 采用Al-B 4C中子吸收材料制作的乏燃料贮存水池的格架，不仅能提高水池的贮存密度，还 能有效控制中子反应性，以维持乏燃料的次临界状态，确保贮存过程中的核安全。而如何有 效提高Al-B 4C中子吸收材料在在高放射性场所应用过程中的稳定性，确保其在使用过程中 的长期稳定，成为人们迫切关心的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的发明目的在于有效提高Al-B4C中子吸收材料在在高放射性场所应用过 程中的稳定性，确保其在使用过程中的长期稳定，提供一种乏燃料贮存和运输用Al-B 4C中 子吸收材料的热处理方法。本发明能够对Al-B4C中子吸收材料进行热处理，有效改善B 4C陶 瓷颗粒的分布均匀性，使其获得较高的综合性能，可以保证产品长期运行的稳定性以及安 全性。经试验验证，经本发明处理后的材料具有良好的显微组织结构，能够有效保证Al-B 4C 中子吸收材料在高放射性场所应用过程中的稳定性及安全性，具有重要的进步意义。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，包括如下步骤：
[0008] (1)固溶处理
[0009] 将该材料进行固溶处理，固溶温度为400-650°C，处理20-240min，得部件一；
[0010] ⑵淬火处理
[0011] 将步骤1得到的部件一放入水中进行淬火，水温为10_60°C，得部件二；
[0012] ⑶时效处理
[0013] 将步骤2得到的部件二进行人工时效处理，人工时效温度为100-250°C，人工时效 时间为4_30h，最后空冷至室温，即可；
[0014] 所述步骤2中，部件一经固溶处理后转移到水中进行淬火的时间间隔不大于30s。
[0015] Al-B4C中子吸收材料以铝合金为基体，以B4C为增强相。
[0016] 所述铝合金为2XXX系铝合金、6XXX系铝合金、7XXX系铝合金中的一种或多种。
[0017] 所述步骤1中，固溶温度为450-550°C，处理20-150min，得部件一。
[0018] 所述步骤2中，部件一经固溶处理后转移到水中进行淬火的时间间隔不大于6s。
[0019] 所述步骤3中，人工时效温度为150-200°C，人工时效时间为6-20h。
[0020] 所述步骤3中，采用恒温油浴炉进行人工时效处理。
[0021] 进一步，步骤1中，固溶温度为530°C，时间为120min;步骤2中，水温30°C，部 件一经固溶处理后转移到水中进行淬火的时间间隔为6s ;步骤3中，人工时效温度为 185-195°C，人工时效时间为8-10h。
[0022] 进一步，步骤1中，固溶温度为530°C，时间为120min ;步骤2中，水温30°C，部 件一经固溶处理后转移到水中进行淬火的时间间隔为6s ;步骤3中，人工时效温度为 155-165°C，人工时效时间为17-19h。
[0023] 针对前述问题，本发明提供一种乏燃料贮存和运输用A1-B4C中子吸收材料的热 处理方法。通过变温去应力退火热轧法对Al-B 4C复合材料进行热轧制备后，可采用本发明 对所得Al-B4C中子吸收材料进行热处理。本发明首先对Al-B 4C中子吸收材料进行固溶处 理，固溶温度为400-650°C，处理20-240min，得部件一。申请人通过实验发现，当固溶温度 高于本发明的温度时，会生成少量的AlBjP Al 3BC物相，其含量随着温度的升高而增多。再 将经固溶处理后的部件一放入水中进行淬火，水温为10-60°C，得部件二。最后，对得到的部 件二进行人工时效处理，人工时效温度为100-250°C，人工时效时间为4-30h，最后空气冷 却至室温，即可。
[0024] 本发明中，以经过热轧或者热挤压后的Al-B4C中子吸收材料为原料，通过本发明 的热处理方法，能够进一步改善B 4C陶瓷颗粒的分布均匀性，使其获得较高的综合性能，保 证产品长期运行的稳定性和安全性。目前，国内外对Al-B 4C复合屏蔽材料的研宄主要集中 在制备方法，尤其是粉末冶金法及机械搅拌铸造法，而本发明提出了一种新的热处理方法， 通过该方法能够有效改善Al-B 4C中子吸收材料的性能，具有显著的进步意义。
[0025] 实验结果表明，本发明能有效地改善B4C颗粒在铝基体中的分布均匀性，提高复合 材料的尺寸稳定性和综合力学性能，为Al-B 4C中子吸收材料的产业化生产提供了理论基础 和技术指导，是一种高效、可行的热处理方法，对于Al-B4C中子吸收材料性能的改进具有重 要的进步意义。
[0026] 经本发明处理后的Al-B4C中子吸收材料具有很高的化学稳定性，具有很多的潜在 应用领域，如：轻质结构材料、切割工具、耐磨材料、反应堆乏燃料贮存容器、乏燃料运输容 器、乏燃料贮存水池格架、抗冲击结构材料、涡轮机引擎部件等领域。
[0027] 综上所述，本发明用于乏燃料贮存和运输的Al-B4C复合材料的热处理，经处理后 材料的综合力学性能大幅度提高，能有效保证产品长期服役过程中运行的稳定性及使用安 全性，对于相应领域的发展，具有重要的意义。
【具体实施方式】
[0028] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0029] 本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的 替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子 而已。
[0030] 对比例1
[0031] 本实例选用Al-20wt % B4C复合材料，材料平均厚度3. 0mm，以2024铝合金作为基 体。
[0032] 其中，错合金的成分为：Si 0· 5wt%，Fe 0· 2wt%，Cu 4. Owt%，Mn 0· 4wt%，Mg I. 5%，Cr < 0· lwt%，Zn < 0· 15wt%，Ti < 0· lwt%，不可避免的杂质含量< 0· lwt%，余 量为Al。
[0033] 通过变温去应力退火轧制技术获得2024Al_20wt%B4C屏蔽复合材料，不进行热处 理。
[0034] 对比例2
[0035] 本实例选用A1-31 % B4C复合材料，材料平均厚度3. 0mm，以2024铝合金作为基体。
[0036] 其中，错合金的成分为：Si 0· 4wt%，Fe 0· 3wt%，Cu 4. 2wt%，Mn 0· 5wt%，Mg I. 5%，Cr < 0· lwt%，Zn < 0· 15wt%，Ti < 0· lwt%，不可避免的杂质含量< 0· lwt%，余 量为Al。
[0037] 通过变温去应力退火轧制技术获得2024Al-31wt%B4C屏蔽复合材料，不进行热处 理。
[0038] 对比例3
[0039] 本实例选用Al-20wt % B4C复合材料，材料平均厚度3. 0mm，以6061铝合金作为基 体。
[0040] 其中，错合金的成分为：Si 0· 7wt%，Fe 0· 2wt%，Cu 0· 3wt%，Mn 0· lwt%，Mg I. 0%，Cr < 0· lwt%，Zn < 0· 15wt%，Ti < 0· 15wt%，不可避免的杂质含量< 0· lwt%，余 量为Al。
[0041] 通过变温去应力退火轧制技术获得6061Al-20wt%B4C屏蔽复合材料，不进行热处 理。
[0042] 对比例4
[0043] 本实例选用Al-31wt % B4C复合材料，材料平均厚度3. 0mm，以6061铝合金作为基 体。
[0044] 其中，错合金的成分为：Si 0· 7wt%，Fe 0· 5wt%，Cu 0· 2wt%，Mn 0· 4wt%，Mg I. lwt%，Cr < 0· lwt%，Zn < 0· 15wt%，Ti < 0· 15wt%，不可避免的杂质含量< 0· 15wt%， 余星为Al。
[0045] 通过变温去应力退火乳制技术获得6061Al_31wt% B4C屏蔽复合材料，不进行热处 理。
[0046] 对比例5
[0047] 本实例选用Al-31wt % B4C复合材料，材料平均厚度3. 0mm，以6351铝合金作为基 体。
[0048] 其中，错合金的成分为：Si I. Owt%，Fe 0· lwt%，Cu 0· lwt%，Mn 0·