一种乏燃料贮存和运输用ALB4C中子吸收材料的热处理方法.pdf

本发明公开了一种乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，目的在于有效提高Al-B4C中子吸收材料在高放射性场所应用过程中的稳定性，确保其在使用过程中的长期稳定。该方法包括固溶处理、淬火处理、时效处理等。本发明能够对Al-B4C中子吸收材料进行热处理，有效改善B4C陶瓷颗粒的分布均匀性，使其获得较高的综合性能，可以保证产品长期运行的稳定性以及安全性。经试验验证，经本发明处理后的材料具有良好的显微组织结构，能够有效保证Al-B4C中子吸收材料在高放射性场所应用过程中的稳定性及安全性，具有重要的进步意义。

权利要求书
1.  一种乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）固溶处理
将该材料进行固溶处理，固溶温度为400-650℃，处理20-240min，得部件一；
（2）淬火处理
将步骤1得到的部件一放入水中进行淬火，水温为10-60℃，得部件二；
（3）时效处理
将步骤2得到的部件二进行人工时效处理，人工时效温度为100-250℃，人工时效时间为4-30h，最后空冷至室温，即可；
所述步骤2中，部件一经固溶处理后转移到水中进行淬火的时间间隔不大于30s。

2.  根据权利要求1所述乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，其特征在于，Al-B4C中子吸收材料以铝合金为基体，以B4C为增强相。

3.  根据权利要求2所述乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，其特征在于，所述铝合金为2XXX系铝合金、6XXX系铝合金、7XXX系铝合金中的一种或多种。

4.  根据权利要求1-3任一项所述乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，其特征在于，所述步骤1中，固溶温度为450-550℃，处理20-150min，得部件一。

5.  根据权利要求1-4任一项所述乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，其特征在于，所述步骤2中，部件一经固溶处理后转移到水中进行淬火的时间间隔不大于6s。

6.  根据权利要求1-5任一项所述乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，其特征在于，所述步骤3中，人工时效温度为150-200℃，人工时效时间为6-20h。

7.  根据权利要求1-6任一项所述乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，其特征在于，所述步骤3中，采用恒温油浴炉进行人工时效处理。

8.  根据权利要求1所述乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，其特征在于，步骤1中，固溶温度为530℃，时间为120min；步骤2中，水温30℃，部件一经固溶处理后转移到水中进行淬火的时间间隔为6s；步骤3中，人工时效温度为185-195℃，人工时效时间为8-10h。

9.  根据权利要求1所述乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，其特征在于，步骤1中，固溶温度为530℃，时间为120min；步骤2中，水温30℃，部件一经固溶处理后转移到水中进行淬火的时间间隔为6s；步骤3中，人工时效温度为155-165℃，人工时效时间为17-19h。

说明书一种乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法
技术领域
本发明涉及材料热处理领域，尤其是Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，其是一种用 于核反应堆、乏燃料贮存和运输等核辐射场所的铝基碳化硼复合屏蔽材料的热处理方法。
背景技术
根据国家核电发展规划，到2020年，我国每年将产生约1000吨乏燃料，如何安全贮 存这些具有高放射性、高毒性的废物将成为严峻问题。中子吸收材料能够对乏燃料进行安 全地贮存和运输，其不仅可以吸收乏燃料自发衰变产生的中子，还能维持乏燃料在次临界 状态，防止放射性物质向外部环境的扩散。
乏燃料的贮存分为湿法贮存和干法贮存，前者是将高放射性乏燃料贮存在具有中子吸 收材料格架的水池中，后者则是将乏燃料贮存在由中子吸收材料制备的容器罐中。此外， 将乏燃料从沿海核电站安全转运至后处理厂的过程中，还需要能够屏蔽中子的运输容器。 然而，国内对乏燃料贮存的关键材料——中子吸收材料的研究相对滞后、迟缓。
国内现有的含硼聚乙烯、含硼不锈钢等中子吸收材料无法满足第三代核电系统的60年 使用寿命，并且贮存密度较低。而Al-B4C复合材料兼有金属铝的塑性和韧性，以及碳化硼 陶瓷的高强度、高刚度、良好中子吸收效果等优点，是一种优良的结构功能一体化材料。 采用Al-B4C中子吸收材料制作的乏燃料贮存水池的格架，不仅能提高水池的贮存密度，还 能有效控制中子反应性，以维持乏燃料的次临界状态，确保贮存过程中的核安全。而如何 有效提高Al-B4C中子吸收材料在在高放射性场所应用过程中的稳定性，确保其在使用过程 中的长期稳定，成为人们迫切关心的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于有效提高Al-B4C中子吸收材料在在高放射性场所应用过程中的 稳定性，确保其在使用过程中的长期稳定，提供一种乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收 材料的热处理方法。本发明能够对Al-B4C中子吸收材料进行热处理，有效改善B4C陶瓷颗 粒的分布均匀性，使其获得较高的综合性能，可以保证产品长期运行的稳定性以及安全性。 经试验验证，经本发明处理后的材料具有良好的显微组织结构，能够有效保证Al-B4C中子 吸收材料在高放射性场所应用过程中的稳定性及安全性，具有重要的进步意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方法，包括如下步骤：
(1)固溶处理
将该材料进行固溶处理，固溶温度为400-650℃，处理20-240min，得部件一；
(2)淬火处理
将步骤1得到的部件一放入水中进行淬火，水温为10-60℃，得部件二；
(3)时效处理
将步骤2得到的部件二进行人工时效处理，人工时效温度为100-250℃，人工时效时间 为4-30h，最后空冷至室温，即可；
所述步骤2中，部件一经固溶处理后转移到水中进行淬火的时间间隔不大于30s。
Al-B4C中子吸收材料以铝合金为基体，以B4C为增强相。
所述铝合金为2XXX系铝合金、6XXX系铝合金、7XXX系铝合金中的一种或多种。
所述步骤1中，固溶温度为450-550℃，处理20-150min，得部件一。
所述步骤2中，部件一经固溶处理后转移到水中进行淬火的时间间隔不大于6s。
所述步骤3中，人工时效温度为150-200℃，人工时效时间为6-20h。
所述步骤3中，采用恒温油浴炉进行人工时效处理。
进一步，步骤1中，固溶温度为530℃，时间为120min；步骤2中，水温30℃，部件 一经固溶处理后转移到水中进行淬火的时间间隔为6s；步骤3中，人工时效温度为 185-195℃，人工时效时间为8-10h。
进一步，步骤1中，固溶温度为530℃，时间为120min；步骤2中，水温30℃，部件 一经固溶处理后转移到水中进行淬火的时间间隔为6s；步骤3中，人工时效温度为 155-165℃，人工时效时间为17-19h。
针对前述问题，本发明提供一种乏燃料贮存和运输用Al-B4C中子吸收材料的热处理方 法。通过变温去应力退火热轧法对Al-B4C复合材料进行热轧制备后，可采用本发明对所得 Al-B4C中子吸收材料进行热处理。本发明首先对Al-B4C中子吸收材料进行固溶处理，固溶 温度为400-650℃，处理20-240min，得部件一。申请人通过实验发现，当固溶温度高于本 发明的温度时，会生成少量的AlB2和Al3BC物相，其含量随着温度的升高而增多。再将经 固溶处理后的部件一放入水中进行淬火，水温为10-60℃，得部件二。最后，对得到的部件 二进行人工时效处理，人工时效温度为100-250℃，人工时效时间为4-30h，最后空气冷却 至室温，即可。
本发明中，以经过热轧或者热挤压后的Al-B4C中子吸收材料为原料，通过本发明的热 处理方法，能够进一步改善B4C陶瓷颗粒的分布均匀性，使其获得较高的综合性能，保证 产品长期运行的稳定性和安全性。目前，国内外对Al-B4C复合屏蔽材料的研究主要集中在 制备方法，尤其是粉末冶金法及机械搅拌铸造法，而本发明提出了一种新的热处理方法， 通过该方法能够有效改善Al-B4C中子吸收材料的性能，具有显著的进步意义。
实验结果表明，本发明能有效地改善B4C颗粒在铝基体中的分布均匀性，提高复合材 料的尺寸稳定性和综合力学性能，为Al-B4C中子吸收材料的产业化生产提供了理论基础和 技术指导，是一种高效、可行的热处理方法，对于Al-B4C中子吸收材料性能的改进具有重 要的进步意义。
经本发明处理后的Al-B4C中子吸收材料具有很高的化学稳定性，具有很多的潜在应用 领域，如：轻质结构材料、切割工具、耐磨材料、反应堆乏燃料贮存容器、乏燃料运输容 器、乏燃料贮存水池格架、抗冲击结构材料、涡轮机引擎部件等领域。
综上所述，本发明用于乏燃料贮存和运输的Al-B4C复合材料的热处理，经处理后材料 的综合力学性能大幅度提高，能有效保证产品长期服役过程中运行的稳定性及使用安全性， 对于相应领域的发展，具有重要的意义。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征 和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代 特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而 已。
对比例1
本实例选用Al-20wt％B4C复合材料，材料平均厚度3.0mm，以2024铝合金作为基体。
其中，铝合金的成分为：Si 0.5wt％，Fe 0.2wt％，Cu 4.0wt％，Mn 0.4wt％，Mg 1.5％， Cr≤0.1wt％，Zn≤0.15wt％，Ti≤0.1wt％，不可避免的杂质含量≤0.1wt％，余量为Al。
通过变温去应力退火轧制技术获得2024Al-20wt％B4C屏蔽复合材料，不进行热处理。
对比例2
本实例选用Al-31％B4C复合材料，材料平均厚度3.0mm，以2024铝合金作为基体。
其中，铝合金的成分为：Si 0.4wt％，Fe 0.3wt％，Cu 4.2wt％，Mn 0.5wt％，Mg 1.5％， Cr≤0.1wt％，Zn≤0.15wt％，Ti≤0.1wt％，不可避免的杂质含量≤0.1wt％，余量为Al。
通过变温去应力退火轧制技术获得2024Al-31wt％B4C屏蔽复合材料，不进行热处理。
对比例3
本实例选用Al-20wt％B4C复合材料，材料平均厚度3.0mm，以6061铝合金作为基体。
其中，铝合金的成分为：Si 0.7wt％，Fe 0.2wt％，Cu 0.3wt％，Mn 0.1wt％，Mg 1.0％， Cr≤0.1wt％，Zn≤0.15wt％，Ti≤0.15wt％，不可避免的杂质含量≤0.1wt％，余量为Al。
通过变温去应力退火轧制技术获得6061Al-20wt％B4C屏蔽复合材料，不进行热处理。
对比例4
本实例选用Al-31wt％B4C复合材料，材料平均厚度3.0mm，以6061铝合金作为基体。
其中，铝合金的成分为：Si 0.7wt％，Fe 0.5wt％，Cu 0.2wt％，Mn 0.4wt％，Mg 1.1wt％， Cr≤0.1wt％，Zn≤0.15wt％，Ti≤0.15wt％，不可避免的杂质含量≤0.15wt％，余量为Al。
通过变温去应力退火轧制技术获得6061Al-31wt％B4C屏蔽复合材料，不进行热处理。
对比例5
本实例选用Al-31wt％B4C复合材料，材料平均厚度3.0mm，以6351铝合金作为基体。
其中，铝合金的成分为：Si 1.0wt％，Fe 0.1wt％，Cu 0.1wt％，Mn 0.4wt％，Mg 0.5％， Zn≤0.15wt％，Ti≤0.1wt％，不可避免的杂质含量≤0.1wt％，余量为Al。
通过变温去应力退火轧制技术获得6351Al-31wt％B4C屏蔽复合材料，不进行热处理。
对比例6
本实例选用Al-31wt％B4C复合材料，材料平均厚度3.0mm，以7075铝合金作为基体。
其中，铝合金的成分为：Si 0.40wt％，Fe 0.50wt％，Cu 1.70wt％，Mn 0.30wt％，Mg 2.7wt％， Ti,0.20wt％，Zn 5.1-6.1wt％，，不可避免的杂质含量≤0.1wt％，余量为Al。
通过变温去应力退火轧制技术获得6351Al-31wt％B4C屏蔽复合材料，不进行热处理。
实施例1
本实施例选用Al-20wt％B4C复合材料，以2024铝合金作为基体，合金成分同对比例1。 材料平均厚度3.0mm。
对该材料进行热处理，处理过程如下：将热轧态的Al-20wt％B4C复合材料放入箱式热 处理炉内，进行固溶处理，固溶温度535±5℃，固溶时间120min，得到部件一；随后将部 件一放入水中进行淬火处理，水温20℃，从固溶处理转移到淬火处理过程的时间为5s，得 部件二；最后将部件二进行时效处理，人工时效温度190℃，时效时间9h。
经测定：经热处理后的2024Al-20wt％B4C屏蔽复合材料的显微维氏硬度由104提高至 127，抗拉强度由302MPa提高至322MPa。
实施例2
本实施例选用Al-31％B4C复合材料，以2024铝合金作为基体，合金成分同对比例2。 材料平均厚度3.0mm。
对该材料进行热处理，处理过程如下：将热轧态的Al-31％B4C复合材料放入箱式热处 理炉内，进行固溶处理，固溶温度535±5℃，固溶时间120min，得到部件一；随后将部件 一放入水中进行淬火处理，水温30℃，从固溶处理转移到淬火处理过程的时间为5s，得部 件二；最后将部件二进行时效处理，人工时效温度192℃，时效时间12h。
经测定：经热处理后的2024Al-31％B4C屏蔽复合材料的显微维氏硬度由125提高至 141，抗拉强度由328MPa提高至337MPa。
实施例3
本实施例选用Al-20wt％B4C复合材料，以6061铝合金作为基体，合金成分同对比例3。 材料平均厚度3.0mm。
对该材料进行热处理，处理过程如下：将热轧态的Al-B4C复合材料放入箱式热处理炉 内，进行固溶处理，固溶温度530±3℃，固溶时间120min，得到部件一；随后将部件一放 入水中进行淬火处理，水温25℃，固溶处理转移到淬火处理过程的时间为5s，得部件二； 最后将部件二进行时效处理，人工时效温度160℃，时效时间18h。
在固溶过程中，铝合金基体中能形成Mg2Si相，在热处理状态下能够固溶在铝合金基 体中，从而使Al-B4C复合材料具有人工时效硬化的能力。经测定：经热处理后的 6061Al-20wt％B4C复合屏蔽材料的显微维氏硬度由127提高至146，抗拉强度由224MPa提 高至278MPa。
实施例4
本实施例选用Al-31wt％B4C复合材料，以6061铝合金作为基体，合金成分同对比例4。 材料平均厚度3.0mm。
对该材料进行热处理，处理过程如下：将热轧态的Al-B4C复合材料放入箱式热处理炉 内，进行固溶处理，固溶温度530±3℃，固溶时间120min，得到部件一；随后将部件一放 入水中进行淬火处理，水温28℃，从固溶处理转移到淬火处理过程的时间为5s，得部件二； 最后将部件二进行时效处理，人工时效温度165℃，时效时间17h。在人工时效的过程为 GP区——针状Mg2Si非平衡相——棒状Mg2Si非平衡相——片状Mg2Si非平衡相，从而达 到时效效果。
经测定：经热处理后的6061Al-31wt％B4C复合屏蔽材料的显微维氏硬度由143提高至 178，抗拉强度由279MPa提高至309MPa。
实施例5
本实施例选用Al-31wt％B4C复合材料，以6351铝合金作为基体，合金成分同对比例5。 材料平均厚度3.0mm。
对该材料进行处理的过程如下：首先将热轧态的Al-B4C复合材料放入退火炉内进行退 火，退火温度350℃，退火时间4h；随后进行固溶处理，固溶温度505℃，固溶时间90min， 得到部件一；随后将部件一放入水中进行淬火处理，水温25℃，从固溶处理转移到淬火处 理过程的时间为5s，得部件二；最后将部件二进行时效处理，人工时效温度170℃，时效 时间6h。
经测定：经热处理后的6351Al-31wt％B4C复合屏蔽材料的显微维氏硬度由112提高至 127，抗拉强度由282MPa提高至301MPa。
实例6
本实施例选用Al-31wt％B4C复合材料，以7075铝合金作为基体，合金成分同对比例6。 材料平均厚度3.0mm。
对该材料进行热处理，处理过程如下：首先将热轧态的Al-B4C复合材料放入热处理炉 内，进行固溶处理，固溶温度为520±3℃，固溶时间90min，得到部件一；随后将部件一放 入水中进行淬火处理，水温35℃，从固溶处理转移到淬火处理过程的时间为6s，得部件二； 最后将部件二进行时效处理，人工时效温度175℃，时效时间12h。
经测定：经热处理后的7075Al-31wt％B4C复合屏蔽材料的显微维氏硬度由153提高至 176，抗拉强度由576MPa提高至595MPa。
相应的测定结果如下表1所示。
表1 对比例及实施例的力学性能测定结果
试样 硬度/HV 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 对比例1 104 260 302 实施例1 127 295 322 对比例2 125 308 328 实施例2 141 312 337 对比例3 127 198 224 实施例3 146 249 278 对比例4 143 229 279 实施例4 178 260 309 对比例5 112 258 282 实施例5 127 270 301 对比例6 153 501 576 实施例6 176 524 595
表1的实验结果表明：经实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实例6 热处理后，材料的综合性能都得到了提高。本发明通过固溶处理、淬火处理、时效处理之 间的相互配合，能够显著提高Al-B4C金属基复合材料的力学性能。在相同B4C陶瓷颗粒含 量时，本发明能够明显改善复合材料的硬度及力学性能，这有利于中子吸收材料产品长期 运行的稳定性及使用安全性。本发明流程简单，生产设备要求低，易于实现工业化批量处 理产品，所制备的产品稳定性和安全性高，具有较好的应用前景。
以上仅是本发明的具体应用范例，用于解释本发明，对本发明的保护范围不构成任何 限制。凡采用等效替换或者改进、润饰而形成的技术方案，均视为本发明权利保护范围之 内。本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特 征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。