一种高硼不锈钢中子吸收材料及其制备方法与流程

本发明属于中子吸收材料领域，涉及一种高硼不锈钢中子吸收材料及其制备方法。

背景技术：

核电厂燃料贮存格架、燃料运输、转运、中子屏蔽等领域需要中子吸收材料，以避免中子向外辐射。常用的中子吸收材料有铅硼聚乙烯、含硼聚丙烯、镉板、碳化硼、铝基碳化硼和硼钢等，硼钢随着具有足够结构力学性能，和良好中子吸收能力。

硼原子序数为5，原子量为10.811，有两种稳定的同位素：硼10和硼11，天然丰度分别为19.78%和80.22%；硼10对中子的吸收截面是天然丰度硼的5倍还多，是石墨的20多倍，是作为中子防护材料混凝土的500多倍。含硼不锈钢作为中子吸收材料，在核电、现代工业、军事装备及高端医疗等方面有着广泛的应用。

硼在钢中的作用非常复杂，在钢中的溶解度极小，与各种晶体缺陷（如晶界、位错和空位等）有强烈的相互作用；它与钢中的其它元素如氧、氮、碳等能形成各种类型的夹杂物和析出相。因而，在不同状态的钢中，由于其经历冶炼、加工、热处理的状态不同，硼的分布及作用就不同。及时同样含硼量的钢中，由于硼分布状态的变化，实际对钢淬透性、韧性等起作用的硼量会完全不同。

钢中加入微量的硼，能提高钢的淬透性。以硼为主要合金元素的合金钢一般称为高硼钢，其硼重量含量一般在0.2%-3%，硼含量越高，吸收热中子能力越强。一般硼在α-Fe和γ-Fe的最大溶解度分别为0.0081%和0.02%，超过固溶度的硼通常以硼相的形式沿晶界析出，呈网状沉淀分布，使钢的韧性下降，这种现象称为“硼脆”。钢中的硼含量越多，这种沉淀相的量就越多，沉淀相的数量、形状、大小和分布与钢的性能密切相关；如果分布在晶界，并呈连续分布时，使高硼钢的韧性严重恶化。一般情况下，高硼钢中的硼含量在0.5-1%时，为亚共晶组织，硼相为Fe2B，共晶组织沿晶界连续分布；硼含量为1.0-2.5%时Fe2B量增加，呈典型的枝晶组织；硼含量为2.5-4.0%时为共晶组织，硼化物为Fe2B或Fe2（C,B）。

传统的铸造工艺下，高硼钢在凝固过程中很难避免晶粒组大以及连续网状共晶硼化物的形成。高硼不锈钢，含有铬、镍和钼等元素，可以提高硼在铁基合金中的固溶度，部分减少硼相的析出，然而硼在不锈钢中固溶度的增加也十分有限，也会出现粗大的硼相。

热等静压工艺是先进材料加工及制备工艺，其原理为在高温高压下，材料的屈服强度下降，原子的迁移速度加快，可以加快粉末固结致密化速度，提高致密化程度；也可以消除材料的内部孔隙和缺陷，提高材料的性能。广泛应用于特种粉末烧结，例如高速钢、高温合金、钛合金、特种陶瓷等难于铸造和常压烧结的粉末；也应用于航空航天核电铸造件、锻轧件的消除内部缺陷和孔隙，提高性能等领域。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高硼不锈钢合金及其制备方法，该方法采用气雾化-热等静压-热轧工艺制备，制备的符合材料致密度高，强度和韧性综合性能高，避免了传统铸造高硼不锈钢的在晶界偏聚，适合批量化生产。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：一种高硼不锈钢中子吸收材料制备方法，依次包括如下步骤：

（1）不锈钢粉末的制备：将硼铁、铬铁、镍铁、锰铁等铁合金及纯铁按照要求配比进行气雾化，并过筛，得到60目-300目筛下的组织均匀的合金粉末；采用气雾化制备粉末原料，保证粉末纯度高、氧含量低、元素尤其是硼元素均匀分布在粉末颗粒没有偏析等现象；

（2）热等静压成形步骤：将气雾化所得的合金粉末装入包套、抽气、密封，然后在一定温度和压力下进行热等静压烧结，得到具有高致密度的坯料，几乎没有微观缺陷；

（3）轧制步骤：将上热等静压坯料去除包套后，进行热轧，得到板状材料。

优选的是，高硼不锈钢中子吸收材料包括硼、镍、铬、锰、钼、硅、磷和硫元素，均以铁合金的形式加入。

采用这样的制备方法，工艺流程短，能耗低。

上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢中子吸收材料硼含量为B：0.2-3%。

上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢中子吸收材料还包括Cr：12-26%，Ni：1.5-23%， C：0.02-0.6%，Mn：1-11%，Mo：0-7%，Si：≤3%，P≤0.2%，S≤0.030，其余为铁。

上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢中子吸收材料包括B：2.1%，Cr：19%，Ni：14%， C：0.08%，Mn：2%，Si：0.75，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。

上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢中子吸收材料包括B：0.25%，Cr：15%，Ni：12%，C：0.20%，Mn：1.5%，Si：2.5%，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。

上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢中子吸收材料包括B：0.6%，Cr：15%，Ni：12%，C：0.20%，Mn：1.5%，Si：2.5%，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。

上述任一方案优选的是，所述铁合金包括B：1.5%，Cr：18%，Ni：15%，C：0.04%，Mn：1.0%，Mo：6%，Si：1.0%，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。

上述任一方案优选的是，将硼铁、铬铁、镍铁、锰铁及纯铁按照要求配比进行气雾化时，熔化温度高出熔点100-300℃，保护气体为氩气，喷雾压力为5-40MPa。示例性地，熔化温度高出熔点100℃、150℃、200℃、250℃，喷雾压力30MPa、25MPa、20MPa、10MPa。

上述任一方案优选的是，得到的粒度在300-60目的粉末，在200-500℃抽真空后密封，将密封的所述包套进行热等静压处理，压力为80-150MPa，温度为900-1200℃，保温时间为1~4小时。保温时间更长，得到的坯料致密度更高，与碳化硅的界面结合更加充分。示例性地，得到的粒度分别为-200目、-150目、-100目、-80目的粉末，在450℃、350℃、300℃、250℃抽真空后封闭后，在100MPa、120MPa、140MPa-150MPa范围内进行热等静压致密化烧结，热等静压温度为950℃、1050℃、1100℃、1150℃，保温时间为1.5h、2.0h、2.5h、3.5h。抽真空时温度高于350℃以上，除气效率更高，残留气体更少。

上述任一方案优选的是，热等静压成形坯料相对密度大于99.8%。

上述任一方案优选的是，作为一种优选实施方案热轧温度为900-1150摄氏度，变形量在20-80%。示例性地热轧温度为950℃、1000℃、1050℃、1100℃，变形量为30%、50%、60%、80%。

本发明同时提供一种高硼不锈钢中子吸收材料，其采用以上的高硼不锈钢中子吸收材料的制备方法制备得到。

本发明与现有技术方案相比具有以下有益效果：

（1）本发明所述一种高硼不锈钢及其制备方法，采用气雾化制备粉末原料，保证粉末纯度高、氧含量低、元素尤其是硼元素均匀分布在粉末颗粒没有偏析等现象。（2）本发明采用热等静压成形与烧结同时进行，工序简单，材质均匀，材料致密度高，相对密度达到99.8%以上，并且硼元素在晶粒内部分布均匀不易在晶界偏聚。综上所述，采用本发明制备的高硼不锈钢具有相对密度高、材质均匀、综合力学性能良好、良好的r射线及中子吸收性能等特点，可应用于核电厂燃料贮存格架、燃料运输、转运、中子屏蔽等领域，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是按照本发明的高硼不锈钢合金制备方法的一优选实施例流程图。

图2是按照本发明的高硼不锈钢合金的一优选实施例的微观组织。

具体实施方式

为了更加清楚准确地理解本发明的发明内容，下面结合附图及具体实施例进一步进行说明。

实施例1

该实施例提供的高硼不锈钢中子吸收材料成份为。B：2.1%，Cr：19%，Ni：14%， C：0.08%，Mn：2%，Si：0.75，P≤0.045%，S≤0.030其余为铁，这些元素均以铁合金形式加入。

如图1所示，本实施例中的高硼不锈钢中子吸收材料的制备依次包括如下步骤：

（1）原料粉末配制步骤：气雾化熔化各种铁合金成份，高出熔点100℃，喷粉压力为30MPa，收得粉末过200目筛，-200目粉收得率超过50%；

（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为450℃、密封、热等静压处理，压制压力为100MPa，温度为950℃，保温时间为1.5小时，得到热等静压坯料；

（3）热轧步骤：将热等静压的坯料进行热轧，热轧温度为950℃，变形量为30%

本实施例制备的高硼不锈钢中子吸收材料的微观组织如图2所示，本实施例制备的高硼不锈钢中字吸收材料的相对密度为99.8%，室温抗拉强度为700MPa、屈服强度为500MPa、延伸率为14%。

实施例2

该实施例提供的高硼不锈钢中子吸收材料成份为B：0.25%，Cr：15%，Ni：12%，C：0.20%，Mn：1.5%，Si：2.5%，P≤0.045%，S≤0.030其余为铁。这些元素均以铁合金形式加入。

本实施例中的高硼不锈钢中子吸收材料的制备依次包括如下步骤：

（1）原料粉末配制步骤：气雾化熔化各种铁合金成份，高出熔点150℃，喷粉压力为25MPa，收得粉末过150目筛，-150目粉收得率超过50%；

（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为350℃、密封、热等静压处理，压制压力为120MPa，温度为1050℃，保温时间为2.0小时，得到热等静压坯料；

（3）热轧步骤：将热等静压的坯料进行热轧，热轧温度为1000℃，变形量为50%

本实施例制备的高硼不锈钢相对密度为99.8%，室温抗拉强度为750MPa、屈服强度为600MPa、延伸率为10%。

实施例3

该实施例提供的高硼不锈钢中子吸收材料成份为B：0.6%，Cr：15%，Ni：12%，C：0.20%，Mn：1.5%，Si：2.5%，P≤0.045%，S≤0.030其余为铁。这些元素均以铁合金形式加入。

本实施例中的高硼不锈钢中子吸收材料的制备依次包括如下步骤：

（1）原料粉末配制步骤：气雾化熔化各种铁合金成份，高出熔点200℃，喷粉压力为20MPa，收得粉末过100目筛，-100目粉收得率超过55%；

（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为300℃、密封、热等静压处理，压制压力为140MPa，温度为1100℃，保温时间为2.5小时，得到热等静压坯料；

（3）热轧步骤：将热等静压的坯料进行热轧，热轧温度为1050℃，变形量为60%

本实施例制备的高硼不锈钢相对密度为99.8%，室温抗拉强度为800MPa、屈服强度为700MPa、延伸率为7%。

实施例4

该实施例提供的高硼不锈钢中子吸收材料成份为B：1.5%，Cr：18%，Ni：15%，C：0.04%，Mn：1.0%，Mo：6%，Si：1.0%，P≤0.045%，S≤0.030其余为铁。这些元素均以铁合金形式加入。

本实施例中的高硼不锈钢中子吸收材料的制备依次包括如下步骤：

（1）原料粉末配制步骤：气雾化熔化各种铁合金成份，高出熔点250℃，喷粉压力为10MPa，收得粉末过80目筛，-80目粉收得率超过65%；

（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为250℃、密封、热等静压处理，压制压力为150MPa，温度为1150℃，保温时间为3.5小时，得到热等静压坯料；

（3）热轧步骤：将热等静压的坯料进行热轧，热轧温度为1100℃，变形量为80%

本实施例制备的高硼不锈钢相对密度为99.8%，室温抗拉强度为850MPa、屈服强度为780MPa、延伸率为6%。

实施例5

该实施例提供的高硼不锈钢中子吸收材料成份为B：1.5%，Cr：18%，Ni：15%，C：0.04%，Mn：1.0%，Mo：6%，Si：1.0%，P≤0.045%，S≤0.030其余为铁。这些元素均以铁合金形式加入。

本实施例中的高硼不锈钢中子吸收材料的制备依次包括如下步骤：

（1）原料粉末配制步骤：气雾化熔化各种铁合金成份，高出熔点100℃，喷粉压力为5MPa，收得粉末过60目筛，-60目粉收得率超过70%；

（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为200℃、密封、热等静压处理，压制压力为80MPa，温度为900℃，保温时间为1小时，得到热等静压坯料；

（3）热轧步骤：将热等静压的坯料进行热轧，热轧温度为900℃，变形量为20%。

本实施例制备的高硼不锈钢相对密度为99.8%，室温抗拉强度为900MPa、屈服强度为785MPa、延伸率为6%。

实施例6

该实施例提供的高硼不锈钢中子吸收材料成份为B：1.5%，Cr：18%，Ni：15%，C：0.04%，Mn：1.0%，Mo：6%，Si：1.0%，P≤0.045%，S≤0.030其余为铁。这些元素均以铁合金形式加入。

本实施例中的高硼不锈钢中子吸收材料的制备依次包括如下步骤：

（1）原料粉末配制步骤：气雾化熔化各种铁合金成份，高出熔点300℃，喷粉压力为40MPa，收得粉末过300目筛，-300目粉收得率超过65%；

（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为500℃、密封、热等静压处理，压制压力为150MPa，温度为1200℃，保温时间为4小时，得到热等静压坯料；

（3）热轧步骤：将热等静压的坯料进行热轧，热轧温度为1150℃，变形量为80%。

本实施例制备的高硼不锈钢相对密度为99.8%，室温抗拉强度为820MPa、屈服强度为700MPa、延伸率为8%。

需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。