粉末包套真空热轧制备高硼不锈钢复合板的工艺基础研究

发布时间：2020-06-20 16:52

【摘要】：随着我国核电能源产业的飞速发展,从反应堆卸出的高放射性乏燃料的后续处理问题变得日益重要。在众多屏蔽材料中,高硼不锈钢不仅能作为屏蔽材料也能作为结构材料,因此在离堆中间贮存中获得广泛使用。常见的高硼不锈钢制备工艺为粉末冶金法和传统熔铸法。由于热加工过程中难以避免生成低熔点共晶硼化物,导致材料塑性、韧性急剧下降,解决高硼不锈钢难加工的问题已成为当下迫在眉睫的事情。针对上述问题,本文提出粉末包套真空热轧复合法,制备出兼具中子屏蔽能力且力学性能优良的高硼不锈钢复合板。本文设计了一种真空加压烧结装置,在Gleeble-3500热模拟试验机上进行粉末烧结致密化模拟试验。在温度1100°C应变速率10s~(-1)条件下,研究了不同压下量对致密化的影响以及真空度对复合界面的影响。研究发现变形量在60%时烧结体相对密度达到98%。真空度越高,复合界面氧化越少,结合强度更好。当真空度为5Pa或更高时,复合界面发生了良好的冶金结合,无气孔夹杂等缺陷。参考模拟试验数据,制订了实际可行的粉末包套真空热轧工艺参数。为得到芯层厚度:覆层厚度=4:1的复合板,设计合理的包套尺寸,经后期试验检验,实际结果跟预期结果接近。使用真空钎焊炉,在1130°C真空度2.2×10~(-2)Pa的环境下焊封包套。之后采用多道次小变形量的方法将包套锻轧成厚度为3mm的薄板。对复合板进行1050°C1h的固溶处理。通过粉末包套真空热轧复合法制备的高硼不锈钢复合板,其复合界面实现了冶金结合,硼化物呈小尺寸颗粒均匀分布在晶界上,大力改善了高硼不锈钢复合板力学性能。检测了芯材成分与304B7A接近的复合板的力学性能,其中复合板的屈服强度超过美国ASTM A887-89标准的技术要求,伸长率是304B7A高硼不锈钢板的1.7倍。本文提出粉末包套真空热轧制备高硼不锈钢复合板的思路,并进行了工艺基础研究,能对我国高硼不锈钢的设计和生产提供理论依据和技术指导,具有重要的实际工程意义。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG335
【图文】：

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1.1.1 核电发展现状核电能源产业是我国新能源产业的重要组成部分，在能源结构中占有重要地[1-4]。核电能源产业，具有清洁、低碳、稳定、高能量密度的特点，大力发展核电源，是治理当今雾霾污染的重要方法之一。经过 30 年的发展，我国核电产业不断型升级，走出了“引进消化吸收”到“再创新”的成功路线。2011 年，具有第四代特的中国实验钠冷快堆实现 40%功率并网发电。由于钠化学性质活泼，突发事故时快速排出热量。高温气冷堆是我国清华大学研究开发的具有第四代特征的核电技目前正在山东荣成石岛湾建造全球首套200MW 高温气冷堆核电站示范堆(HTGR)现今我国核电产业已经初具规模，在运核电机组 30 台，总装机容量 2800 万瓦；在建机组 24 台，总装机容量 2600 万千瓦[6]。根据我国《核电中长期发展规（2011—2020 年）》[7]，到 2020 年，核电运行装机容量达到 5800 万千瓦，在建 3万千瓦。随着我国核电能源产业的飞速发展，从反应堆卸出的高放射性乏燃料的续处理问题变的日益重要。图 1-1 给出了全球核电站乏燃料处理及贮存统计数据。

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图 1-2 常用乏燃料干式贮存容器(a) 贮运双功能金属容器；(b) HI-STORM 储存外包装和内容器硼元素对不锈钢性能的影响乏燃料中包含有大量的放射性元素，如不同等级的中子、γ 射线、二次射线不加以妥善处理，会严重污染环境和影响人体健康[11]。热中子吸收材料，两个优点，备热中子吸收截面大和俘获 γ 辐射能量低。表 1-2 列出一些相关热中子和俘获 γ 射线的能力对比，可见天然 B 有着很大的热中子俘获截面生（n, ）反应，吸收中子后产生易被屏蔽的粒子和次级 γ 射线[12]，因此屏蔽材料都会添加 B 元素。屏蔽材料主要分为以下几类[13]：1、无机非金属材加硼酸、锂盐等具有吸收中子作用的物质的混凝土、玻璃等；2、高分子聚，将碳化硼粉末、铅粉和稀土元素均匀弥散在基体中，铅硼聚乙烯、透明稀土高分子复合材料等；3、合金材料，如含硼不锈钢、含硼铝合金，以及 B4材料。

【参考文献】