高温强化型铝基碳化硼材料设计、制备及性能研究

发布时间：2020-11-15 21:43

　　随着我国核电事业的快速发展,到2020年我国年产生乏燃料将近1000吨,为缓解日益增多的乏燃料给贮存水池容量带来的压力,干式贮存是目前国际上乏燃料贮存方式的主要发展方向。乏燃料干式贮运容器对作为核心关键材料的铝基碳化硼中子吸收材料提出了更高的性能需求,需要将原本定位为功能材料的B_4C_p/Al中子材料向结构功能一体化材料方向转变,使其高温强度有较大提升。本论文从B_4C_p/Al中子吸收材料的成分设计、粉末冶金制备、性能测试评估等方面,系统地研究了高温强化型B_4C_p/Al中子吸收材料成分组成、制备工艺与强度性能之间的关系。采用蒙特卡洛(MC)方法设计了高温强化型B_4C_p/Al中子吸收材料的基体成分,研究了 B_4C颗粒及纳米Al_2O_3颗粒(Al_2O_(3np))对复合材料中子吸收功能的影响;采用高能球磨制备了 B_4C_p/Al复合材料粉体后又采用热等静压方法制备了致密的复合材料坯体;模拟乏燃料干式贮运高温环境,测试了高温强化型B_4C_p/Al中子吸收材料的高温拉伸力学性能;采用扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)研究了 B_4C_p/Al材料制备过程颗粒均匀化、半固态热等静压致密化和Al_2O_(3np)对B_4C_p/Al材料强化的机理。(1)通过对高温强化型中子吸收材料工况分析,建立了高温强化型中子吸收材料服役环境模型,采用MCNP中子输运软件模拟了 B_4CP含量、屏蔽材料厚度及第二相粒子对复合材料屏蔽性能的影响。结果表明,当B_4CP含量为6wt.%～12wt.%范围,厚度为6mm～15 mm范围时,B_4C含量对复合材料的热中子吸收性能有较大影响;以6061Al合金作为复合材料基体,B_4C含量约为12wt.%,厚度约为12mm前提下,中子吸收材料可实现对99.9999%热中子的屏蔽,复合材料对热中子的吸收并不是线性关系,其前1/3厚度层吸收了约99%的热中子,后2/3厚度层吸收剩余的不足1%的热中子;复合材料热中子吸收功能的物理实现可由~(10)B面密度给出最低限值,±0.5mm的厚度变化均可保证材料热中子吸收率的设计值;Al_2O_(3np)含量在1～15wt.%范围内对复合材料热中子吸收不产生明显影响。研究还采用SRIM软件模拟了~(10)_5B(n,α)_3~7Li核反应生成的He,Li粒子对B_4CP和A1基体的辐照损伤行为。结果表明次生粒子入射能量越高则在B_4CP内的射程越长;He,Li粒子对A1基体造成的离位损伤远大于对B_4CP的离位损伤;可将B_4CP定义为半概率沉积层、大概率沉积层和全沉积内核三层,不同沉积层对He,Li粒子束缚能力有较大差异;B_4CP半径大于4.45μm情况下,增大B_4CP尺寸将有利于减少次生粒子对B_4C_p/Al复合材料的辐照损伤。(2)开展了高温强化型B_4C_p/Al中子吸收材料粉末冶金制备技术研究。采用激光粒度分析和SEM等方法研究了 B_4C/Al中子吸收材料制备过程中B_4CP的分布特征及半固态热等静压致密化机理。结果表明,采用粉末冶金湿法球磨方法对6061Al合金粉与B_4C_p的混合粉进行球磨,随着球磨时间的增加,混合粉粒度分布谱会出现“双峰”效应,主要是由于韧性6061A1合金粉球磨过程中出现扁平“饼”化;球磨工艺可实现B_4CP在6061A1粉基体中的充分弥散,这主要是由于长时间的球磨使得B_4C_p在铝“饼”上形成了明显的镶嵌行为;半固态热等静压工艺可实现高温强化型B_4C_p/Al中子吸收材料的致密化,材料致密度接近理论密度且优于相同烧结温度和时间条件下真空烧结法制备的材料,主要是由于6061A1基体在半固态区间的液相溢出及其对粉末坯体内部空隙的充填。(3)以乏燃料贮运容器内部温度为实验温度,采用高温拉伸测试了 606A1合金及Al_2O_(3np)添加前后B_4C_p/Al材料从室温到高温的力学性能。结果表明,半固态热等静压法制备的6061Al/12wt.%B_4C_p+Al_2O_3np复合材料,Al_2O_3np添加量阈值为2.5wt.%时,纳米颗粒强化B_4C_p/Al复合材料室温拉伸强度约300Mpa,屈服强度约240Mpa;添加Al_2O_3np可实现6061Al/12wt.%B_4C复合材料的高温抗拉和屈服强度的大幅提升,其中350℃抗拉强度提升约40%,屈服强度提升约46%,而450℃两者分别提升67%和65%,Al_2O_(3np)强化B_4C_p/Al材料室温及高温塑韧性仅略微降低。(4)采用扫描电子显微镜(SEM)和高分辨率透射电镜(HRTEM,自带XDS和EELS)对Al_2O_3np强化B_4C_p/Al中子吸收材料的显微结构和强化机理进行了较系统的研究。结果表明,6061Al/12wt.%B_4C_p复合材料中6061A1基体晶粒尺寸约12μm,6061Al/12wt.%B_4C_p+2.5wt.%A12O3np复合材料中6061Al基体晶粒尺寸约4μm,微米尺度B_4CP和纳米尺度Al_2O_(3np)对复合材料6061Al基体晶粒长大均起到抑制作用,而Al_2O_3np对晶粒长大抑制作用更加明显;Al_2O_3np主要以γ-Al_2O_3相,非连续状态钉扎在6061 Al/12wt.%B_4C_p+2.5wt.%Al_2O_3np复合材料6061A1基体晶界偏聚带内;这种分布特征在高温下起到抑制晶粒间合金元素扩散和晶界软化的作用,同时改变了复合材料高温断裂模式,使复合材料细晶强化效果在高温状态下得到有效保持。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM623;TL345
【部分图文】：