专利名称：一种镍合金/钨复合棒材的制备方法
技术领域：
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种镍合金/钨复合棒材的制备方法。
背景技术：
核电站反应堆产生的功率一般通过提升或降低反应堆堆芯中的控制棒组件来控制。现代反应堆堆芯的燃料组件典型使用两种类型的棒控制组件来控制反应性，即棒束控制组件(RCCA)和灰棒控制组件(GRCA)。两者都由在其顶端处紧固到共用的毂盘或多脚架组件上的多个中子吸收棒组成。棒体一般包括不锈钢管，该不锈钢管封装中子吸收材料，常用的黑棒吸收体材料为银-铟-镉合金棒，灰棒控制组件的吸收材料为不锈钢等。按照中国专利CN101504872A所述，提出了一种用于核反应堆的先进灰棒控制组 件(GRCA)，该组件主要由细长的管状元件，设置在管状元件的主中子吸收剂和内支撑管共同组成，其中主中子吸收剂材料优先的选用钨，该吸收材料具有10 30靶恩的2200m/s中子吸收微观捕获横截面。内支撑管材料由镍合金或不锈钢组成的组选择。内支撑管要求与主中子吸收棒材紧密结合形成复合棒材，且内壁管壁厚均匀，尺寸精度高。目前，金属复合管材的制备方法主要有两种一种是采用铸造冶金技术，将内支撑管材料熔炼后采用铸造法与芯杆材料紧密复合，然后采用切削、磨削的方法制备成复合棒材，该方法的缺点是在制备镍合金/鹤复合棒材过程中由于镍合金熔炼温度高(镍合金熔炼温度> 1200°C)，易造成钨材料发生再结晶(再结晶温度> 1100°C)，造成芯杆材料强度下降，导致后续加工芯杆易断裂；另一种方法是套管和芯杆复合法，即将钨杆插入镍合金套管中，其中，套管内径稍大于芯杆外径，然后通过外模和拉缩的硬配合，将外面的金属套管和金属芯棒紧密的复合成一体，形成复合棒结构，如中国专利CN03271518所述的一种金属复合棒材方法。该方法的缺点是对芯杆和金属套管制备尺寸精度要求高，特别是对于较细而长的薄壁管件内径公差直线度要求更高，且在后续的加工过程中要求外模和拉缩的硬配合，造成设备结构复杂，产品复合后贴合率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种方法简单，设备投资小，生产周期短，对环境无污染，成品率高，可批量化生产的镍合金/钨复合棒材的制备方法。采用该方法制备的镍合金/钨复合棒材中镍合金厚度均匀，孔隙率低，成品尺寸精度高，镍合金与钨棒材的金属贴合率> 98%，通过工艺的优化贴合率可高达100%。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一、将锻造加工后的截面直径为3mm IOmm的钨棒材依次经过碱洗、酸洗、去离子水冲洗和自然干燥处理，得到表面净化处理后的钨棒材；步骤二、将步骤一中表面净化处理后的钨棒材置于压制模具中，然后将镍合金粉体均匀填装于钨棒材与压制模具之间的空隙内，将压制模具密封后放置于冷等静压机中压制，脱模后得到镍合金/鹤复合棒还；所述镍合金/鹤复合棒还由鹤棒材和覆于鹤棒材表面的镍合金层组成，其中所述镍合金层的平均厚度为3. 5mm 10mm，孔隙率为35% 45% ；步骤三、将步骤二中所述镍合金/钨复合棒坯水平放置在真空烧结炉中，在温度为800°C 1000°C、真空度为O. 009Pa O. 03Pa的条件下烧结至镍合金/钨复合棒坯中镍合金层的孔隙率彡5% ；步骤四、将步骤三中烧结后的镍合金/钨复合棒坯在温度为300°C 700°C的条件下通过拉丝模具进行多道次拉丝，得到截面直径为5mm 16mm的镍合金/钨复合棒材。上述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述锻造加工的总加工率> 90%。上述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述钨棒材 的显微硬度为HV480 HV520。上述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述碱洗的具体工艺为将所述钨棒材置于温度为450°C 550°C的熔融NaOH中浸泡3min 5min。上述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述酸洗的具体工艺为将碱洗后的鹤棒材置于复合酸液中浸泡3min IOmin ;所述复合酸液由盐酸溶液与硝酸溶液按质量比3 I混合制成，所述盐酸溶液中HCl的质量百分数为30% 37%，所述硝酸溶液中HNO3的质量百分数为50% 65%。上述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述镍合金粉体的粒度为2 μ m 35 μ m。上述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述压制的压力为IOOMPa 300MPa，压制的时间为Imin 5min。上述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述镍合金的牌号为 GH145、GH984 或 GH4169。上述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述拉丝的道次加工率为5% 15%。上述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述镍合金/钨复合棒材中镍合金与钨棒材的贴合率> 98%。本发明的镍合金/钨复合棒坯在拉丝过程中，由于经锻造加工的钨棒材的硬度较高(显微硬度为HV480 HV520)，而镍合金的硬度相对较低(显微硬度仅为HV250 HV380)，通过控制适宜的拉丝温度以及道次加工率可以使得镍合金/钨复合棒坯在通过拉丝模孔变形集中发生在镍合金层，而钨棒尺寸保持不变。本发明的镍合金/钨复合棒材中镍合金的孔隙率Θ采用密度法测定，公式为θ= 1 — 式中P为镍合金的实际密度，单位为Kg/m3; P。为镍合金的理论密度，单
U
位为Kg/m3 ο本发明的钨棒材与镍合金的显微硬度均采用显微硬度计测得，镍合金/钨复合棒材中镍合金与钨棒材的贴合率采用超声波无损探伤仪界面波进行检测。检测过程中若出现始脉冲信号增宽，底脉冲消失或缺陷脉冲的增宽增高前移时，即可判定该区域为非贴合区；非贴合区的范围用半波高度法确定。本发明与现有技术相比具有以下优点I、本发明采用粉末冶金烧结包覆加工法制备镍合金/钨复合棒材，避免了采用常规的铸造冶金技术复合镍合金层时易导致钨棒材强度降低，加工成品率低的问题，也克服了采用传统的套管和芯杆复合法制备时对套管尺寸精度高，设备机构复杂，且套管和芯杆贴合率低的缺点。2、本发明在镍合金/钨复合棒材的制备过程中首先选取锻造加工 后的钨棒材是由于锻造过程能消除钨金属在粉末冶金过程中残存的空隙缺陷，优化微观组织结构，并使锻造后的钨棒材具有较高的机械性能，然后对钨棒材表面进行了净化处理，有效防止了表面污染，且后续烧结过程中采用了高温真空烧结，使钨棒表面吸附气体和残留的污染物进一步较少，从而保证了后续加工后符合棒材表面的贴合率的提高。3、本发明制备的镍合金/钨复合棒材中镍合金的厚度均匀，尺寸精度高，镍合金与钨棒材的金属贴合率> 98%，通过工艺的优化贴合率可高达100%。4、本发明的方法简单，设备投资小，生产周期短，对环境无污染，成品率高，可批量化生产。下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施例方式实施例I本实施例的镍合金/钨复合棒材的制备方法包括以下步骤步骤一、将锻造加工后(锻造的总加工率为90%，硬度为HV480)的直径为Φ5. 00mm±0. 02mm的鹤棒材依次经过碱洗、酸洗、去离子水冲洗和自然干燥处理，得到表面净化处理后的钨棒材；所述碱洗的具体工艺为将钨棒材置于温度为450°C的熔融NaOH中浸泡5min ;所述酸洗的具体工艺为将碱洗后的鹤棒材置于复合酸液中浸泡IOmin ;所述复合酸液由盐酸溶液与硝酸溶液按质量比3 I混合制成，所述盐酸溶液中HCl的质量百分数为30%，所述硝酸溶液中HNO3的质量百分数为65% ；步骤二、将步骤一中表面净化处理后的钨棒材放入压制模具中，然后将平均粒度为2 μ m的GH145镍合金粉体均匀填装于钨棒材与压制模具之间的空隙内，将压制模具密封后放置于冷等静压机中压制，压制力为200MPa，压制时间为3min，脱模后得到镍合金/钨复合棒还；所述镍合金/鹤复合棒还由鹤棒材和覆于鹤棒材表面的镍合金层组成，其中所述镍合金层的厚度为4. 2mm±0. 2mm，孔隙率为35% ；步骤三、将步骤二中所述镍合金/钨复合棒坯水平放置在真空烧结炉中，在真空度为O. 009Pa、温度为800°C的条件下烧结8h，测得烧结后镍合金/钨复合棒坯的直径为Φ 11. 3mm±0. 2mm，镍合金层的孔隙率为2% ；步骤四、将步骤三中烧结后的镍合金/钨复合棒坯在温度为350°C的条件下通过拉丝模具进行7道次拉丝，各道次变形量分别为15%，12%，10%, 8%，8%，6. 8%，5. 8%，最终得到直径为Φ8. 00mm±0. 04mm的成品镍合金/鹤复合棒材。本发明制备的镍合金/钨复合棒材中的镍合金厚度均匀(厚度为I. 50mm),孔隙率低(孔隙率< 1%)，成品镍合金/钨复合棒材的尺寸精度高(尺寸公差为±0. 04mm)，镍合金与钨棒材的贴合率高达100%。实施例2本实施例的镍合金/钨复合棒材的制备方法包括以下步骤步骤一、将锻造加工后(锻造的总加工率为95%，硬度为HV510 )后的直径为Φ4. 00mm±0. Olmm的鹤棒材依次经过碱洗、酸洗、去离子水冲洗和自然干燥处理，得到表面净化处理后的钨棒材；所述碱洗的具体工艺为将钨棒材置于温度为550°C的熔融NaOH中浸泡3min ;所述酸洗的具体工艺为将碱洗后的鹤棒材置于复合酸液中浸泡3min ;所述复合酸液由盐酸溶液与硝酸溶液按质量比3 1混合制成，所述盐酸溶液中HCl的质量百分数为37%，所述硝酸溶液中HNO3的质量百分数为50%。步骤二、将步骤一中表面净化处理后的钨棒材放入圆柱形压制模具中，然后将粒 度为25 μ m的GH984镍合金粉体均匀填装于钨棒材与压制模具之间的空隙内，将压制模具密封后放置于冷等静压机中压制，压制力为300MPa，压制时间为lmin，脱模后得到镍合金/鹤复合棒还；所述镍合金/鹤复合棒还由鹤棒材和覆于鹤棒材表面的镍合金层组成，其中所述镍合金层的厚度为3. 5mm±0. 2mm，孔隙率为45% ；步骤三、将步骤二中所述镍合金/钨复合棒坯水平放置在真空烧结炉中，在真空度为O. 009Pa、温度为900°C的条件下加热5h，测得烧结后镍合金/钨复合棒坯的直径为Φ9. 4mm±0. 3mm，镍合金层的孔隙率为4% ；步骤四、将步骤三中烧结后的镍合金/钨复合棒坯在温度为300°C后通过拉丝模具进行10道次拉丝，各道次变形量分别为15%，12%，10%, 9%，8%，7%，6%，6%，5. 5%，5%，最终得到直径为Φ6. 00mm±0. 02mm的成品镍合金/钨复合棒材。本发明制备的镍合金/钨复合棒材中的镍合金厚度均匀(厚度为I. OOmm),孔隙率低(孔隙率< 1%)，成品镍合金/钨复合棒材的尺寸精度高(尺寸公差为±0. 02mm)，镍合金与钨棒材的贴合率高达100%。实施例3本实施例的镍合金/钨复合棒材的制备方法包括以下步骤步骤一、将锻造加工后(锻造的总加工率为97%，硬度为HV520)的直径为Φ6. 00mm±0. 02mm的鹤棒材依次经过碱洗、酸洗、去离子水冲洗和自然干燥处理，得到表面净化处理后的钨棒材；所述碱洗的具体工艺为将钨棒材置于温度为500°C的熔融NaOH中浸泡4min ;所述酸洗的具体工艺为将碱洗后的鹤棒材置于复合酸液中浸泡5min ;所述复合酸液由盐酸溶液与硝酸溶液按质量比3:1混合制成，所述盐酸溶液中HCl的质量百分数为35%，所述硝酸溶液中HNO3的质量百分数为60%。步骤二、将步骤一中表面净化处理后的钨棒材放入压制模具中，然后将平均粒度为35 μ m的GH4169镍合金粉体均匀填装于钨棒材与压制模具之间的空隙内，将压制模具密封后放置于冷等静压机中压制，压制力为lOOMPa，压制时间为5min，脱模后得到镍合金/钨复合棒还；所述镍合金/鹤复合棒还由鹤棒材和覆于鹤棒材表面的镍合金层组成，其中所述镍合金层的厚度为5. 5mm±0. 2mm，孔隙率为45% ；步骤三、将步骤二中所述镍合金/钨复合棒坯水平放置在真空烧结炉中，在真空度为O. 03Pa、温度为1000°C的条件下烧结2h，测得烧结后镍合金/钨复合棒坯的直径为Φ 13. 5mm±0. 2mm，镍合金层的孔隙率为5% ；
步骤四、将步骤三中烧结后的镍合金/钨复合棒坯在温度为650°C的条件下通过拉丝模具进行8道次拉丝，各道次变形量分别为15%，12%，10%, 9%，9%，8%，7%，6. 7%，最终得到直径为Φ9. 00mm±0. 02mm的成品镍合金/钨复合棒材。本发明制备的镍合金/钨复合棒材中的镍合金厚度均匀(厚度为I. 50mm),孔隙率低(孔隙率< 1%)，成品镍合金/钨复合棒材的尺寸精度高(尺寸公差为±0. 02mm)，镍合金与钨棒材的贴合率高达100%。实施例4本实施例的镍合金/钨复合棒材的制备方法包括以下步骤步骤一、将锻造加工后(锻造的总加工率为93%，硬度为HV490)的直径为Φ3. 00mm±0. 02mm的钨棒材依次经过碱洗、酸洗、去离子水冲洗和自然干燥处理，得到表面净化处理后的钨棒材；所述碱洗的具体工艺为将钨棒材置于温度为450°C的熔融NaOH中浸泡5min ;所述酸洗的具体工艺为将碱洗后的鹤棒材置于复合酸液中浸泡IOmin ;所述复 合酸液由盐酸溶液与硝酸溶液按质量比3 I混合制成，所述盐酸溶液中HCl的质量百分数为30%，所述硝酸溶液中HNO3的质量百分数为65%。步骤二、将步骤一中表面净化处理后的钨棒材放入压制模具中，然后将平均粒度为5 μ m的GH145镍合金粉体均匀填装于钨棒材与压制模具之间的空隙内，将压制模具密封后放置于冷等静压机中压制，压制力为200MPa，压制时间为3min，脱模后得到镍合金/钨复合棒还；所述镍合金/鹤复合棒还由鹤棒材和覆于鹤棒材表面的镍合金层组成，其中所述镍合金层的厚度为5. 0mm±0. 2mm，孔隙率为35% ；步骤三、将步骤二中所述镍合金/钨复合棒坯水平放置在真空烧结炉中，在真空度为O. 03Pa、温度为800°C的条件下烧结4h，测得烧结后镍合金/钨复合棒坯的直径为Φ 10. 9mm±0. 2mm，镍合金层的孔隙率为2. 5% ；步骤四、将步骤三中烧结后的镍合金/钨复合棒坯在温度为550°C的条件下通过拉丝模具进行14道次拉丝，各道次变形量分别为15%，15%，15%，12%，12%，10%, 10%, 10%，10%，9%，8%，8%，6. 8%，6%，最终得到直径为Φ5. 0mm±0. 04mm的成品镍合金/钨复合棒材。本发明制备的镍合金/钨复合棒材中的镍合金厚度均匀(厚度为I. OOmm),孔隙率低(孔隙率< 1%)，成品镍合金/钨复合棒材的尺寸精度高(尺寸公差为±0. 04mm)，镍合金与钨棒材的贴合率高达100%。实施例5本实施例的镍合金/钨复合棒材的制备方法包括以下步骤步骤一、将锻造加工后(锻造的总加工率为94%，硬度为HV500)的直径为Φ10. 00mm±0. 02mm的钨棒材依次经过碱洗、酸洗、去离子水冲洗和自然干燥处理，得到表面净化处理后的钨棒材；所述碱洗的具体工艺为将钨棒材置于温度为500°C的熔融NaOH中浸泡4min ;所述酸洗的具体工艺为将碱洗后的鹤棒材置于复合酸液中浸泡8min ;所述复合酸液由盐酸溶液与硝酸溶液按质量比3 I混合制成，所述盐酸溶液中HCl的质量百分数为32%，所述硝酸溶液中HNO3的质量百分数为60% ；步骤二、将步骤一中表面净化处理后的钨棒材放入压制模具中，然后将平均粒度为10 μ m的GH4169镍合金粉体均匀填装于钨棒材与压制模具之间的空隙内，将压制模具密封后放置于冷等静压机中压制，压制力为300MPa，压制时间为5min，脱模后得到镍合金/钨复合棒还；所述镍合金/鹤复合棒还由鹤棒材和覆于鹤棒材表面的镍合金层组成，其中所述镍合金层的厚度为10. 0mm±0. 2mm，孔隙率为45% ；步骤三、将步骤二中所述镍合金/钨复合棒坯水平放置在真空烧结炉中，在真空度为O. 009Pa、温度为800°C的条件下烧结8h，测得烧结后镍合金/钨复合棒坯的直径为Φ23. 5mm±0. 2mm，镍合金层的孔隙率为4. 7% ；步骤四、将步骤三中烧结后的镍合金/钨复合棒坯在温度为550°C的条件下通过拉丝模具进行7道次拉丝，各道次变形量分别为15%，15%，10%, 10%, 8%，8%，6. 4%，最终得到直径为Φ 16. 00mm±0. 04mm的成品镍合金/鹤复合棒材。本发明制备的镍合金/钨复合棒材中的镍合金厚度均匀(厚度为3. OOmm),孔隙率低(孔隙率< 1%)，成品镍合金/钨复合棒材的尺寸精度高(尺寸公差为±0. 04mm)，镍合金与钨棒材的贴合率高达100%。本发明所采用的真空烧结炉、冷等静压制机及压制模具、拉丝设备及拉丝模具、显 微硬度计和超声波探伤仪均为常规市售设备。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 步骤一、将锻造加工后的截面直径为3_ IOmm的钨棒材依次经过碱洗、酸洗、去离子水冲洗和自然干燥处理，得到表面净化处理后的钨棒材； 步骤二、将步骤一中表面净化处理后的钨棒材置于压制模具中，然后将镍合金粉体均匀填装于钨棒材与压制模具之间的空隙内，将压制模具密封后放置于冷等静压机中压制，脱模后得到镍合金/鹤复合棒还；所述镍合金/鹤复合棒还由鹤棒材和覆于鹤棒材表面的镍合金层组成，其中所述镍合金层的平均厚度为3. 5mm 10mm，孔隙率为35% 45% ； 步骤三、将步骤二中所述镍合金/钨复合棒坯水平放置在真空烧结炉中，在温度为800°C 1000°C、真空度为O. 009Pa O. 03Pa的条件下烧结至镍合金/钨复合棒坯中镍合金层的孔隙率彡5% ； 步骤四、将步骤三中烧结后的镍合金/钨复合棒坯在温度为300°C 700°C的条件下通过拉丝模具进行多道次拉丝，得到截面直径为5mm 16mm的镍合金/鹤复合棒材。
2.根据权利要求I所述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述锻造加工的总加工率> 90%。
3.根据权利要求I所述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述钨棒材的显微硬度为HV480 HV520。
4.根据权利要求I所述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述碱洗的具体工艺为将所述钨棒材置于温度为450°C 550°C的熔融NaOH中浸泡3min 5min。
5.根据权利要求I所述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述酸洗的具体工艺为将碱洗后的鹤棒材置于复合酸液中浸泡3min IOmin ;所述复合酸液由盐酸溶液与硝酸溶液按质量比3 I混合制成，所述盐酸溶液中HCl的质量百分数为30% 37%，所述硝酸溶液中HNO3的质量百分数为50% 65%。
6.根据权利要求I所述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述镍合金粉体的粒度为2 μ m 35 μ m。
7.根据权利要求I所述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述压制的压力为IOOMPa 300MPa，压制的时间为Imin 5min。
8.根据权利要求I所述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述镍合金的牌号为GH145、GH984或GH4169。
9.根据权利要求I所述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述拉丝的道次加工率为5% 15%。
10.根据权利要求I所述的一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述镍合金/钨复合棒材中镍合金与钨棒材的贴合率> 98%。
全文摘要
本发明提供了一种镍合金/钨复合棒材的制备方法，包括以下步骤一、对钨棒材进行表面净化处理；二、将表面净化处理后的钨棒材与镍合金粉体放入压制模具中，置于冷等静压机中压制得到镍合金孔隙率为35%～45%的镍合金/钨复合棒坯；三、置于真空烧结炉中进行真空烧结使镍合金孔隙率的≤5%；四、经拉丝后得到成品镍合金/钨复合棒材。本发明工艺简单，设备投资小，生产周期短，对环境无污染，成品率高，可批量化生产；采用本发明制备的镍合金/钨复合棒材中镍合金的厚度均匀，孔隙率低，成品尺寸精度高，镍合金与钨棒材的金属贴合率≥98%，经工艺的优化后贴合率可高达100%。
文档编号B22F7/08GK102806351SQ201210315988
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者淡新国, 侯军涛, 李明强, 郭让民, 邓自南, 刘云飞, 马煜波, 黄先明, 郭磊 申请人:西安瑞福莱钨钼有限公司