一种用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及金属材料技术领域，涉及一种用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料及其制备方法，尤其涉及一种轻质高强的用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料及其制备方法。

背景技术：

核电站乏燃料储存格架中存在很强的中子辐射，随着核电站的发展，对于中子辐射的防护成为急待解决的问题；为了防止核辐射，常采用中子吸收材料及技术进行屏蔽和保护，这对中子吸收材料的性能提出了极其严格的要求。目前国内国际最常见的轻质高强中子屏蔽材料为al/(b4c、bw2)等一系列铝基复合材料。

公开号为cn105803267b的中国发明专利公开了一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料及制备方法。该发明复合材料采用纯铝作为基体材料，屏蔽组分为钨和碳化硼；其中钨的质量百分比为20％～70％；碳化硼的质量百分比为1％～10％；余量为铝和不可避免的杂质。但其中子屏蔽性能依赖于大体积分数的b4c或bw2等相，由于这些中子吸收相与集体之间的共格性不好，加入量过多时会降低材料的机械性能。

公开号为cn108060313b的中国发明专利公开了一种铝基氧化钆中子吸收板的制备方法，是针对核电站乏燃料储存格架中子辐射屏蔽的保护要求，采用铝粉、氧化钆粉、铜粉为原料，经粉末冶金制坯、轧制，制成致密的铝基氧化钆中子吸收板。其通过加入小体积分数gd或者含gd化合物来减少b4c等吸收相的体积分数，但是由于含gd相的粗大、团聚等一系列缺点，使得中子屏蔽性能和机械性能提升都不明显甚至有所下降。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料，所述的复合材料中镁的质量分数区间为1wt％-20wt％，gd的质量分数区间为0.1wt％-20wt％，tib2的质量分数区间为1wt％-20wt％，余量为铝。

mg质量分数较低时，材料强度较低，质量分数过高时材料塑韧性下降，加工性能下降；gd质量分数低时对中子吸收性能提升不明显，过高时产生粗大含gd相，危害力学性能；tib2质量分数低时，材料强度低，质量分数过高时材料塑韧性下降，加工性能下降。

优选地，所述的复合材料中镁的质量分数为6wt％，gd的质量分数为1wt％，tib2的质量分数为8wt％-11.8wt％，余量为铝。

一种用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料的制备方法，包括如下步骤：

a、将al-mg-gd(tib2)原料熔炼得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭雾化喷粉得到粉末；

c、将步骤b得到的粉末放电等离子烧结得到烧结态的样品；

d、再将步骤c中得到的烧结态的样品热挤压得到用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料。

优选地，所述步骤a具体包括：将纯al、al-tib2高纯母料，纯mg和al-gd中间合金加入坩埚中，在600℃-1000℃的熔化温度下将其完全熔化，然后将流体抽真空，再进行过滤和浇铸，最后进行空冷得到铸锭。

合金成分有差异时熔化温度有差异，温度过低会导致无法全部熔化，会危害力学性能，温度过高则会导致mg或其他组元的烧损，也会危害力学性能。

优选地，所述步骤b具体包括：将步骤a得到的铸锭放入坩埚中，在熔化温度下保持5min-120min，使铸锭完全熔化成为流体，将熔化的流体加入喷射雾化设备中，快速流动的氮气会打碎流体得到细小的小液滴，然后小液滴冷却形成粉末。保温时间过短，无法全部熔化，危害力学性能，时间过长则导致浪费能源。

优选地，所述熔化温度为780℃，在熔化温度下保持30min。

优选地，所述步骤c具体包括：将步骤b所得粉末填充到内径为10mm-100mm的石墨模具中，在放电等离子体烧结设备中进行烧结。按照10℃/min-500℃/min间的升温速率将温度升到300℃-900℃，单轴压力为10mpa-200mpa之间，烧结1min-15min得到烧结态的样品。

升温速率低导致在高温环境烧结过长时间，材料组织粗大，力学性能下降；升温速率过高导致热传导不均匀，材料组织出现不均匀性导致力学性能和屏蔽性能下降；温度过低导致烧结体致密度差，力学性能下降；温度过高则导致材料组织粗大，力学性能下降；烧结时间短使得致密度较差，力学性能下降；烧结时间过长导致材料组织粗大，力学性能下降。

优选地，所述石墨模具内径为40mm，所述放电等离子体烧结设备为fcth-hpd25烧结设备，升温速率为100℃/min升温至480℃，单轴压力50mpa，烧结时间5min。

优选地，所述步骤d具体包括：将步骤c得到的烧结态的样品车到比石墨模具内径小0.1mm-1mm，然后放置在相应的刚模具中，升温到250℃-600℃，然后在5:1到60:1挤压比和0.1mm/s-5mm/s的挤压速率下进行热挤压即得用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料。

温度过低导致挤压过程中材料难以挤出，出现开裂等危害力学性能的现象；温度过高则导致材料组织粗大，力学性能下降；挤压比小时，形变对力学性能提升不足；挤压比过大时导致无法挤出或开裂，力学性能下降；挤压速率低时，形变对力学性能提升不足；挤压速率过大时导致开裂，力学性能下降。

优选地，烧结态的样品车到直径比石墨模具内径小0.5mm，升温到450℃，在16:1的挤压比和0.8mm/s的挤压速率下进行热挤压。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)通过快速凝固等工艺，在复合材料中形成了弥散分布、具有较强中子吸收能力的纳米相，该制备方法在大幅提升中子屏蔽性能的同时保证了材料优良的机械性能，实现了材料的结构功能一体化；

(2)通过采用雾化喷粉的工艺，将相应成分的复合材料制备成粉末，从而将传统al-gd合金/复合材料中粗大的针状或片层状含gd相转变为纳米尺度含gd相，提升了材料的力学性能和中子屏蔽性能；

(3)通过采用sps烧结的工艺，短时间的快速烧结有效保留了粉末中的快速凝固特征，从而得到了晶粒细小，第二相分散的致密烧结样品，为后续工艺进一步提高材料性能提供了保障；

(4)通过采用热挤压的工艺，将烧结样中的中子吸收相(强化相)进一步分散细化，同时提升材料的致密度，也提高了材料的中子屏蔽性能和机械性能。

附图说明：

图1为本发明实施例1用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料应变性能测试结果示意图；

图2为本发明实施例1用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料屈服强度、延伸率、抗拉强度测试结果示意图。

具体实施方式

以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：

实施例1

一种用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料，其中镁的质量分数为6wt％，gd的质量分数为1wt％，tib2的质量分数为8wt％，余量为铝。

该复合材料的制备方法，包括如下步骤：

a、将纯al、al-tib2高纯母料，纯mg和al-gd中间合金加入坩埚中，在800℃的熔化温度下将其完全熔化，然后将流体抽真空，再进行过滤和浇铸，最后进行空冷得到铸锭。

b、将步骤a得到的铸锭放入坩埚中，在熔化温度下保持60min，使铸锭完全熔化成为流体，将熔化的流体加入喷射雾化设备中，快速流动的氮气会打碎流体得到细小的小液滴，然后小液滴冷却形成粉末。

c、将步骤b所得粉末填充到内径为500mm的石墨模具中，在放电等离子体烧结设备中进行烧结。按照300℃/min间的升温速率将温度升到600℃，单轴压力为100mpa，烧结8min得到烧结态的样品。

d、将步骤c得到的烧结态的样品车到比石墨模具内径小0.5mm，然后放置在相应的刚模具中，升温到450℃，然后在30:1挤压比和3mm/s的挤压速率下进行热挤压即得用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料。

实施例2

一种用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料，其中镁的质量分数为6wt％，gd的质量分数为1wt％，tib2的质量分数为11.8wt％，余量为铝。

该复合材料的制备方法，包括如下步骤：

a、将纯al、al-tib2高纯母料，纯mg和al-gd中间合金加入坩埚中，在600℃的熔化温度下将其完全熔化，然后将流体抽真空，再进行过滤和浇铸，最后进行空冷得到铸锭。

b、将步骤a得到的铸锭放入坩埚中，在熔化温度下保持120min，使铸锭完全熔化成为流体，将熔化的流体加入喷射雾化设备中，快速流动的氮气会打碎流体得到细小的小液滴，然后小液滴冷却形成粉末。

c、将步骤b所得粉末填充到内径为10mm的石墨模具中，在放电等离子体烧结设备中进行烧结。按照500℃/min的升温速率将温度升到900℃，单轴压力为10mpa，烧结15min得到烧结态的样品。

d、将步骤c得到的烧结态的样品车到比石墨模具内径小0.1mm，然后放置在相应的刚模具中，升温到600℃，然后在60:1挤压比和0.1mm/s的挤压速率下进行热挤压即得用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料。

实施例3

一种用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料，其中镁的质量分数为1wt％，gd的质量分数为20wt％，tib2的质量分数为1wt％，余量为铝。

该复合材料的制备方法，包括如下步骤：

a、将纯al、al-tib2高纯母料，纯mg和al-gd中间合金加入坩埚中，在1000℃的熔化温度下将其完全熔化，然后将流体抽真空，再进行过滤和浇铸，最后进行空冷得到铸锭。

b、将步骤a得到的铸锭放入坩埚中，在熔化温度下保持5min，使铸锭完全熔化成为流体，将熔化的流体加入喷射雾化设备中，快速流动的氮气会打碎流体得到细小的小液滴，然后小液滴冷却形成粉末。

c、将步骤b所得粉末填充到内径为100mm的石墨模具中，在放电等离子体烧结设备中进行烧结。按照10℃/min的升温速率将温度升到300℃，单轴压力为200mpa，烧结1min得到烧结态的样品。

d、将步骤c得到的烧结态的样品车到比石墨模具内径小1mm，然后放置在相应的刚模具中，升温到250℃，然后在5:1挤压比和5mm/s的挤压速率下进行热挤压即得用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料。

实施例4：

一种用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料，其中镁的质量分数为20wt％，gd的质量分数为0.1wt％，tib2的质量分数为20wt％，余量为铝。

该复合材料的制备方法，包括如下步骤：

a、将纯al、al-tib2高纯母料，纯mg和al-gd中间合金加入坩埚中，在800℃的熔化温度下将其完全熔化，然后将流体抽真空，再进行过滤和浇铸，最后进行空冷得到铸锭。

b、将步骤a得到的铸锭放入坩埚中，在熔化温度下保持60min，使铸锭完全熔化成为流体，将熔化的流体加入喷射雾化设备中，快速流动的氮气会打碎流体得到细小的小液滴，然后小液滴冷却形成粉末。

c、将步骤b所得粉末填充到内径为500mm的石墨模具中，在放电等离子体烧结设备中进行烧结。按照300℃/min间的升温速率将温度升到600℃，单轴压力为100mpa，烧结8min得到烧结态的样品。

d、将步骤c得到的烧结态的样品车到比石墨模具内径小0.5mm，然后放置在相应的刚模具中，升温到450℃，然后在30:1挤压比和3mm/s的挤压速率下进行热挤压即得用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料。

测试方法：gb/t228.1-2010(屈服强度，抗拉强度和延伸率)：在拉伸机(zwick/roell)上，使用10^-4s^-1的应变速率进行单轴拉伸。

测试结果如图1和图2所示。图1为本发明实施例1用于中子屏蔽的铝基二硼化钛复合材料应变性能测试结果示意图；图2中rp0.2为屈服强度，agt为延伸率，抗拉强度为rb，其中1、2号即为实施例1样品的性能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。