al-si共晶合金b4c中子吸收材料制备与耐蚀性的研究毕业论文(编辑修改稿)

al-si共晶合金b4c中子吸收材料制备与耐蚀性的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

快实施，碳化硼中子吸收材料作为一种被广泛接受的屏蔽和控制材料，将会在核反应堆中得到很好的 应用，其前景十分广阔。 AlSi 共晶合金及其在核反应堆中的应用 铝是在自然界中分布最广的六大金属元素之一，占地壳总量的 %，为地球上储量最多的金属元素。 铝的化学性质活泼，与氧亲和力大，在自然矿物中不存在金属纯铝。 固态铝为面心立方结构，常压下温度从 4K 至熔点是稳定的，无同素异构转变。 在铝晶体中，存在两种间隙，即直径为 10－ 10m 的八面体间隙和直径为 10－ 10m 的四面体间隙，碳，硼，氧等元素均可作为间隙元素溶入铝中，但固溶度极小。 纯铝的特AlSi共晶合金 B4C 中子吸收材料制备与耐蚀性的研究 4 点是具有很好的导电性、密度仅为铁的 1/塑性好、耐腐蚀 、抗氧化，但强度低 (σ≈ 50MPa)。 纯铝经过合金化和适当的热处理后其力学性能、铸造性能、物理性能及化学性能都能得到显著改善 [11,12]。 硅是铝合金最常用的合金化元素之一。 硅在铝合金中能形成一些化合物，使合金可热处理强化，提高铝合金的铸造及焊接性能，还使铝合金有高的机械性能 [13]。 AlSi 共晶合金由于体积质量小，比强度高，广泛应用于现代工业，特别是航空和汽车行业 [13~14]。 由于其线膨胀系数较低，抗磨性及体积稳定性比较好，是理想的活塞材料 [15~17]。 铝合金的传统加工 方式主要是铸造和锻造。 近几年，粉末冶金法制备铝合金制品得到了迅速发展 [18~20]。 AlSi 共晶合金的物理化学特性 AlSi 共晶合金是简单的共晶系，两个平衡相是 Al 和 Si，见图 [12]。 共晶温度为850K，成分在 %Si 到 %Si 之间，最可取的值是 %。 共晶反应： L→α (Al)+β (Si)，在 25℃下形成α和β两相。 α是 Si 溶入 Al 中的固溶体，由于溶解度很小， (25℃时仅为 %Si)，因而性能和纯铝相似。 β是铝溶入硅的固溶体，溶解度也及微小，可忽略不计。 故多 数情况下，可将β视作纯硅。 图 铝 — 硅系相图 Fig. The state phase diagram of AlSi system 未变质处理的二元共晶合金组织中的硅相呈片状或针状，而过共晶组织中的初生硅则呈多角形块状（见图 a， b） [12]，严重割裂基体，使延伸率降低。 当硅含量较高西 华大学硕士学位论文 5 (13%~14%)时，大量块状初生硅析出，除延伸率急剧下降外，抗拉强度太低 (σ ≈ 100MPa)而没有使用价值。 硅含量较高的铝硅合金须经变质处理，不论是共晶体中的硅，还是初生的硅晶体，若细或圆 ，同时分布均匀，则合金的塑性高，且有相当的强度。 当合金中的硅晶体为细小的针状时，有很高的强度，但塑性、冲击韧性与疲劳强度则大大下降[11,13]。 在所有铸铝合金中，铝硅合金是最致密的。 生产上常用的铝硅合金为 ZL102 合金（含11％～ 13％ Si），属共晶成分范围，有最佳的铸造性能，优良的致密性和小的热裂倾向，耐磨和耐蚀性也较好，经变质处理后有一定的力学性能，可用来制造薄壁、形状复杂、强度要求不高的零件或压铸件 [21~28]。 铝硅合金的切削加工性能较铝铜，铝镁合金略差，但比纯铝好。 在航空工业中的应用主要是高温 合金和铝合金的粉末锻造，如高温合金和铝合金飞机大梁接头等 [29]。 图 未变质初生硅形貌 (Al12%Si) Fig. Not metamorphic primary Si facies (Al12%Si) a 未变质处理的二元共晶合金组织中呈针状的初生硅 b 未变质处理的过共晶组织中呈多角形块状的初生硅 AlSi 共晶合金粉末的制备 金属粉末的制取方法很多 [30~36]，它的选择取决于该材料的特殊性能及制取方法的成本。 AlSi 共晶合金粉末常用的制取方法 主要包括： AlSi共晶合金 B4C 中子吸收材料制备与耐蚀性的研究 6 （ 1）固体雾化法：用含有高浓度可溶性固体介质颗粒 (如 NaC KC1)的高速气流直接撞击液体铝硅合金形成粉末，将粉末在水中溶解清洗，然后过滤干燥，得到纯净的铝硅合金粉末。 将配好的铝硅合金在马弗炉中加热到 850℃后，保温 ，除气、除渣。 在固体雾化装置中进行雾化，雾化条件为气体压力 ，气体流量 ，固体介质流量。 采用固体雾化法制备铝硅合金粉末，能将粉末的雾化效率提高 l0 倍左右，提高细粉的生产率，对细粉的生产具有重要意义 [ 37 ]。 （ 2）超音速气体雾化法 ：利用铸锭冶金法制备 AlSi 合金锭，然后利用超音速气体雾化法制备合金粉末，雾化气体选用氮气，气体压力为 2MPa。 雾化温度为 900℃，整个制粉过程在氮气保护下进行。 超音速气体雾化法是常用的快速凝固制备合金粉末的方法之一，利用这种工艺制备硅铝合金粉末可使初晶 Si 极度细化，消除了利用铸锭冶金法所制备的高硅铝合金中粗大多角块状初晶 Si 对合金性能带来不利影响 [38]。 （ 3）气相沉积法：将 AlSi 合金加入中频炉中熔化后，利用环缝式超声雾化喷嘴，将合金液在 N2保护的雾化装置中雾化，并沉积在水冷沉积台上。 保温炉炉温 950℃，雾化气体压力 ，导流管直径 ，沉积距离 340mm。 由于喷雾沉积态的冷却速率很大，使得 Si 粒子得到明显细化 [39,40]。 （ 4）喷射沉积法：将配制好的 AlSi 合金在感应炉中加热熔化、精炼和脱气，金属液流经漏嘴进入喷雾装置中，被高压气体破碎后的金属液滴直接喷入距离喷嘴约 200mm的高压水流中，经冷却后， AlSi 粉末浆料流经筛网，过滤掉粗大的金属及杂质，流入高速旋转的甩干机中进行脱水处理，经烘干、过筛制得各种所需粉末 [29]。 AlSi 共晶合金在中子吸收基体材料 中的应用 B4CAlSi 共晶合金的弥散体的研究，吸引了核材料燃料研究专家的关注。 B4CAlSi 共晶合金的弥散体的特点如下。 （ 1）中子吸收能力低 对于低能范围的中子，铝的吸收截面小，耐核辐射能力强，对照射生成的感应放射能衰减很快 [11,12]。 （ 2）导热系数高 俄罗斯科学家 V. Troyanov、 V. Popov 和 Iu. Baranaev 等人以 AlSi 共晶合金为基体制备了应用于轻水反应堆的燃料棒，对比研究了 AlSi 共晶合金基与传统的锆基燃料的导热系数，其测定的导热系数见表 [41]。 西 华大学硕士学位论文 7 表 不同基体燃料棒导热系数 Tab. Conductivity coefficient of different base39。 s nuclear fuel 注 1） ： AlSi共晶合金中 Si的含量为 12wt% 从表 可知，铝硅基体燃料的导热系数大于锆基燃料的导热系 数。 锆基燃料的导热性能不随温度的变化发生改变，有固定的导热系数数值。 铝硅基体的燃料的导热性能随温度发生改变，导热系数值都大于 ，是锆基燃料的导热性能的 3 倍多，因此铝硅基体燃料的热导比锆基燃料更加良好。 由 AlSi 共晶合金为基体组成的燃料棒，具有很多优良的性能。 特别是， AlSi 共晶合金弥散体的导热系数非常高，大约是 Zr2 合金弥散体的 2~3 倍，保证了燃料材料具有良好的导热性，能迅速将堆芯的热量传出，符合轻水堆 “冷”堆芯的概念，降低了堆运行条件下燃料运行温度和燃 料中高的潜热。 因此，采用 AlSi 共晶合金来替代传统的锆基合金，制备以 AlSi 共晶合金为基体材料的中子吸收材料已经越来越受到重视，世界范围内的研究也已取得了一定的进展，俄罗斯科学家已将其应用在先进的可移动 KLT40S 反应堆中。 AlSi 共晶合金 B4C 中子吸收材料的制备工艺 中子吸收材料在中子辐射下要产生一定的膨胀，合金的密度不能太低，合金的开孔率增大，吸水性增加，抗腐蚀性降低，并且辐照过程易引起包套管氢脆，故要求合金的密度要适中。 制备工艺过程决定弥散体的密度，对可行工艺的要求是制备出密度合 适的AlSi 共晶合金 B4C 中子吸收材料的弥散体。 目前，制备 AlSi 共晶合金 B4C 中子吸收材料的方法未见报道，但俄罗斯科学家已经用粉末冶金方法制备了核反应堆中的弥散型燃料元件，将 UO2弥散在 AlSi 共晶合金基体中形成弥散体作为核燃料 [42,43]，这些方法可以作为制备 AlSi 共晶合金 B4C 中子吸收材料的借鉴。 AlSi 共晶合金基的核燃料制备的主要方法如下 [41]。 （ 1）粉末混合物区域熔化 UO2粉末与 AlSi 合金粉末混合，并填充在包壳管中，振实、除气，在振动的条件下由下而上区域熔化。 温度（ T/K） 473 573 673 773 燃料组分 导热系数 k（ Wm1K1） 60%UO2+(Al,Si） ※ 60%UO2+Zr AlSi共晶合金 B4C 中子吸收材料制备与耐蚀性的研究 8 （ 2）预 压燃料芯块区域熔化 UO2粉末与 AlSi 合金粉末混合， 25℃下预压成燃料芯块，将芯块组装成燃料棒，自下而上区域熔化同时对燃料棒施加挤压力。 （ 3）燃料芯块热压 用在 UO2颗粒上涂敷 Zr，热压制备出芯块，将芯块组装成燃料棒，并抽真空和充惰性气体。 如采用区域熔化方法制备，由于高温使 AlSi 合金粉末熔化，扩散能力大大提高，容易出现相容性的问题，弥散体各组分与包壳材料之间、弥散体各组分之间将会因为液态扩散而使相容性变差，各组分之间发生反应，形成新的化合物，从而改变了弥散体各组分及包壳材料的物理和化学性能。 本 文选用粉末冶金 法制备了 AlSi 共晶合金 B4C 中子吸收材料，制备过程中 AlSi共晶合金不熔化或者轻微的熔化， AlSi 共晶合金与 B4C 颗粒之间相容性好， B4C 颗粒的物理和化学性能几乎没有受到破坏，保持了良好的中子吸收性能。 选题的意义及研究内容 将合金元素加入纯铝中可以获得一系列的铝合金。 通过固溶或析出形成不同的相，分布在铝的基体内，可以不同程度的影响铝的耐蚀性。 对于铝合金耐蚀性的研究，材料科学界内已形成一套完整的方法和完善的理论。 铝硅合金表面有致密的 Al2O3和 SiO2保护膜，组织中α相基体和 硅相的电位差不大，合金 化学性质稳定 且具有良好的耐蚀性能，甚至在海水中经相当时间的侵蚀后，仍保持原来的力学性能，应力腐蚀的倾向很小[21~23]， 对 AlSi 共晶合金的耐蚀性和相容性的研究国内外已有少量报道。 （ 1） 为了测定铝硅基体燃料在冷却剂中的耐蚀性， Troyanov V等在 583K和 下进行燃料棒模拟体和具有未密封包壳的燃料试样的高压釜试验 [42]。 未观察到燃料棒外径的变化，试样缝隙尺寸仍未改变，对放置燃料棒模拟体的水的分析表明没有铀。 还进行了没有包壳的铝硅基体燃料 (60% vol. UO2+40% vol. (Si,Al))的高压釜试验，试验时间10～ 200h，试验后检验表明 ： 基体与冷却剂接触时间增加，基体中氧化物未发生显著增加。 （ 2） 为了测定铝硅基体燃料在 等温曝露期的相容性 ， Troyanov V等用铝硅基体燃料 (60vol% UO2+40 vol% (Si,Al))棒模拟体 [42]，试验温度 775K，曝露时间 2700h。 试验后在燃料棒模拟体中末见有裂纹、弯曲、变形或其他缺陷。 模拟体保持其几何稳定性。 自射线研究表明铀扩散穿入基体未超过 10μ m，由主要组成元素的分布，可以看出在 UO2颗粒与基 体不到 1015μ m的边界上全部浓度实际上降为零。 西 华大学硕士学位论文 9 （ 3） 为了测定 AlSi 共晶合金基体与 B4C、 1Cr18Ni9Ti 不锈钢和锆合金之间的相容性 ，兰军 [45]等 采用粉末冶金法制备了 AlSi/1Cr18Ni9Ti、 AlSi/Zr 及 AlSi/B4C 扩散偶，并 在 350℃对 扩散偶进行了 240h 的等温处理 ， 使用 SEM 未观测到扩散层 ， 研究结果表明 ： 在正常的使用温度 300℃以下， AlSi/1Cr18Ni9Ti、 AlSi/Zr 及 AlSi/B4C 扩散偶之间具有良好的相容性。 （ 4） 为了比较压铸和电解 AlSi 合金 的耐蚀性，袁象恺 [54]等在调温调湿箱中选用温度 55℃、周期数 15 天、湿度 98%进行湿热试验，通过测定试样湿热腐蚀时的氧化增重和观察试样表面腐蚀产物的面积变化及形貌，得到如下结论：由于电解铝硅合金含有多种有益微量元素使之组织细小均匀且铜含量低，其耐蚀性相比常规压铸铝硅合金更好。 综上所述， 试验（ 1）、（ 2）、（ 3）的主要目的是测定 AlSi 合金在高温干燥环境中的耐蚀性与相容性，其中（ 1）、（ 2）所采用的 AlSi 合金基体材料是采用铸造方法制备的 ， （ 4）的主要测定对象是压铸和电解铝硅合金 ，测试环境是中性湿热 空气。 由于 采用 粉末锻造制备的 B4CAlSi 共晶合金弥散体的孔隙率比铸造或电解 AlSi 合金 要高 、 晶粒和晶界中均匀分布有 B4C 掺杂且其晶粒形状亦有所不同，这些都是影响该弥散体耐蚀性的不确定因素。 目前 B4CAlSi 共晶合金弥散体在湿热环境工业介质中的耐蚀性研究未见报道 ，因此本课题的研究内容具有一定。