鋁基碳化硼核燃料中子吸收板制備關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

王大號，趙曉輝，王震，吳凡，楊博，白鵬鵬

(西安重型技術(shù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710032)

中子吸收材料主要用于制造核電乏燃料儲存裝置。中子吸收板是第三代核電燃料貯存格架中關(guān)鍵的功能材料，其生產(chǎn)技術(shù)與裝備是制約我國燃料貯存格架國產(chǎn)化的“卡脖子”問題。鋁基碳化硼陶瓷增強材料主要以Al-Mg-Si合金為基體，B4C為中子吸收體的復(fù)合材料，是一種很有前景的新型反應(yīng)堆中子吸收材料，鋁基碳化硼陶瓷增強材料除了作為核電和核工程中子吸收材料使用，還可推廣至核反應(yīng)堆等大型設(shè)施及軍用中子屏蔽材料等領(lǐng)域，是第三代核電燃料貯存和運輸設(shè)備的關(guān)鍵功能材料。

難變形鋁基碳化硼核燃料中子吸收板制造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用是未來核燃料中子吸收板高成材率、高效節(jié)能生產(chǎn)和良好性能的關(guān)鍵，其關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用是發(fā)展這一技術(shù)迫切需要研究和解決的此領(lǐng)域前沿挑戰(zhàn)性課題，具有重大的社會和經(jīng)濟效益[1]。

1 鋁基碳化硼中子吸收板制備工藝路線及技術(shù)原理

鋁基碳化硼陶瓷增強材料核燃料中子吸收板工藝步驟由粉末混合、壓制、燒結(jié)、擠壓、軋制五個步驟。將粉末冶金后的坯錠經(jīng)過加熱和均勻化送入擠壓機，采用特定的擠壓工藝參數(shù)擠壓，通過牽引、橫向傳輸和定尺鋸切分成特定長度的板材，之后通過可逆熱軋工藝技術(shù)反復(fù)軋制，成為性能和形狀符合要求的核燃料中子吸收板。

本項目的總體思路是采用以理論解析分析、計算機數(shù)值模擬、實驗研究、工程實例應(yīng)用和推廣有機結(jié)合的方法，建立了核燃料中子吸收板的擠壓和軋制成形溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、板型控制系統(tǒng)，研制開發(fā)了成套的鋁基碳化硼核燃料中子吸收板制備關(guān)鍵技術(shù)。

2 鋁基碳化硼中子吸收板制備關(guān)鍵技術(shù)

鋁基陶瓷增強材料核燃料中子吸收板制備關(guān)鍵技術(shù)包括。

2.1 低速閉環(huán)精確擠壓速度控制技術(shù)

核燃料中子吸收板材料塑性差，擠壓速度比較低，而且對速度穩(wěn)定性要求很高，因此需要擠壓時速度低速閉環(huán)控制。根據(jù)核燃料中子吸收板材料的擠壓工藝技術(shù)路線，按照擠壓機液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)配置特點，提出伺服低速閉環(huán)擠壓速度精確控制技術(shù)路線，進而開發(fā)基于速度反饋的比例油泵和伺服閥閉環(huán)速度精確控制系統(tǒng)。

不同擠壓速度下，擠壓模擬過程中擠壓模具出口溫度變化情況可以看出模擬擠壓過程中，擠壓速度越小，擠壓時間越長，擠壓過程中的坯料熱傳導(dǎo)損失熱量越多，當(dāng)擠壓速度為0.2mm/s、0.5mm/s時，坯料溫度降低明顯，金屬流動性能降低，擠壓過程中擠壓力明顯增大。當(dāng)擠壓速度為1.5mm/s時，擠壓過程中擠壓出口溫度一直升高。當(dāng)變形速度較高時，因變形引起的熱效應(yīng)會使擠壓毛坯的溫度升高，從而流動應(yīng)力明顯降低；當(dāng)變形速度再增高時，雖然毛坯的升溫很明顯，但是由于變形過程中金屬的加工硬化速度比再結(jié)晶過程中的軟化速度快，坯料的流動應(yīng)力會明顯增大。因此擠壓過程中必須認(rèn)真控制擠壓速度。擠壓速度對變形熱效應(yīng)、變形均勻性、再結(jié)晶和固溶過程、制品力學(xué)性能及制品表面質(zhì)量均有重要影響。擠壓速度過快，制品表面會出現(xiàn)麻點、裂紋等傾向；同時，增加了金屬變形的不均勻性。因此，在滿足擠壓要求的前提下，擠壓速度盡可能小。綜上所述，通過對不同擠壓速度下，擠壓過程的模擬，選擇擠壓速度參數(shù)為0.8～1.0mm/s[2]。

2.2 擠壓過程溫度精確恒定控制系統(tǒng)

核燃料中子吸收板材料可擠壓溫度范圍窄，需要擠壓設(shè)備能夠在整個擠壓過程中使錠坯、擠壓筒和相關(guān)工模具維持在擠壓溫度范圍內(nèi)，因此本項目研究了核燃料中子吸收板材料擠壓過程溫度變化規(guī)律，采用在線模具加熱技術(shù)，建立擠壓過程溫度精確恒定控制系統(tǒng)。

不同模具溫度下，擠壓模擬過程中擠壓力情況可以看出模擬擠壓過程中，模具溫度參數(shù)是擠壓過程中非常重要的參數(shù)，對擠壓力參數(shù)都有重要影響。模具溫度越低，擠壓過程中坯料熱傳導(dǎo)散失的熱量越大，擠壓過程中坯料溫降越大，擠壓力越大，坯料擠壓出口的變形應(yīng)力越大。當(dāng)模具溫度高于坯料溫度時，擠壓過程中因變形、摩擦等產(chǎn)生的熱量不能通過熱傳導(dǎo)方式散失，會引起擠壓出口溫度升高，坯料變形不均勻[3]，綜上所述，通過對不同模具溫度下，擠壓過程的模擬，模具溫度應(yīng)略低于坯料加熱溫度，對于本次模擬過程，選擇模具溫度參數(shù)為450℃～500℃。

擠壓技術(shù)路線試驗驗證

綜合仿真模擬結(jié)果，在5MN擠壓機上，將Φ100mm×300mm的鋁基碳化硼坯料擠壓成Φ40的實心棒的擠壓工藝技術(shù)參數(shù)為坯料加熱溫度500℃，擠壓溫度(擠壓筒加熱溫度)500℃，模具加熱溫度450℃，擠壓速度1mm/s。以此擠壓工藝技術(shù)參數(shù)，在實驗室5MN金屬擠壓機上對上述工藝路線進行了試驗，坯料為Φ100mm×300mm鋁基碳化硼坯料，制品為Φ40mm實心棒。以鋁基碳化硼棒材實驗結(jié)果為例。試驗結(jié)果表明鋁基碳化硼擠壓過程中擠壓力相比模擬過程大，表面易出現(xiàn)龜裂，擠壓工藝需進一步完善。在此基礎(chǔ)上，以實驗室的5MN金屬擠壓機為試驗平臺，對制品規(guī)格為：85×3mm、85×4mm、85×5mm、85×6mm及85×8mm的系列鋁基碳化硼板材，進行了試驗。

對于試驗結(jié)果，擠壓棒材時，擠壓比更大，擠壓過程產(chǎn)生的變形熱、摩擦熱更高，需要選擇更低的擠壓溫度、模具溫度及選擇更低的擠壓速度。不管是擠壓棒材還是擠壓板材，擠壓制品表面均出現(xiàn)較嚴(yán)重龜裂，對于試驗過程分析，一方面是鋁基碳化硼復(fù)合材料鋁合金基體中的晶內(nèi)偏析較大，塑性差，金屬流動性差，造成擠壓制品成材率低，特別是擠壓制品表面性能差；一方面是5MN擠壓機噸位較小，只能擠壓擠壓比較小的擠壓制品，在擠壓過程中產(chǎn)生的擠壓變形力小，不能有效改善鋁基氮化硼復(fù)合材料內(nèi)部組織性能，從而使擠壓制品成材率低。經(jīng)過對試驗過程進行分析，可以得出以下結(jié)論：

核燃料中子吸收板擠壓生產(chǎn)時，錠坯加熱到505℃開始從鋁棒加熱爐上料，擠壓筒預(yù)熱到490℃，擠壓模具也預(yù)熱到520℃，將擠壓桿放入擠壓筒中同擠壓筒一起預(yù)熱，擠壓速度為1mm/s。

2.3 難變形鋁基陶瓷增強材料核燃料中子吸收板溫態(tài)軋制溫度控制技術(shù)

主要通過對中子吸收板加熱補溫爐進行分區(qū)精準(zhǔn)控制保證多通道板材的溫度均勻性，通過板材智能快速轉(zhuǎn)運技術(shù)，結(jié)合加熱爐加熱及溫態(tài)軋制節(jié)奏，實現(xiàn)批量快節(jié)奏軋制，減少轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)材料溫度損耗，提高板材成品的綜合性能；通過對軋機軋輥的分段精準(zhǔn)溫度控制調(diào)整軋輥輥型及帶材局部溫度，實現(xiàn)鋁基陶瓷增強材料核燃料中子吸收板溫態(tài)軋制溫度工藝要求。

2.4 無張力軋制工況下中子吸收板軋制板形綜合控制技術(shù)

分析無張力軋制工況下中子吸收板塑性軋制變形規(guī)律，綜合考慮了材料對中、軋制線咬入角、軋輥橫向偏心、輥縫傾斜、軋后鋁基陶瓷增強材料板材溫降應(yīng)力釋放等因素對綜合板形的影響，研制開發(fā)難變形鋁基陶瓷增強材料板材軋制板形綜合控制技術(shù)，提高中子吸收板的產(chǎn)品性能。

3 應(yīng)用效果

國內(nèi)是近幾年才開始對鋁基陶瓷增強材料核燃料中子吸收板的生產(chǎn)技術(shù)進行研究，有不同的幾個公司在采用粉末冶金+擠壓+軋制的方法或者粉末冶金+等靜壓+軋制的方法研究核燃料中子吸收板的生產(chǎn)裝置技術(shù)。本文所研發(fā)的擠壓軋制生產(chǎn)線在2016年4月率先在國內(nèi)采用粉末冶金+擠壓+軋制的方法生產(chǎn)出了尺寸、成份均符合要求，經(jīng)驗證腐蝕性、力學(xué)性能、輻照性能均優(yōu)于進口產(chǎn)品，用于海陽3#號機組燃料貯存格架的核燃料中子吸收板，成為國內(nèi)首條擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的核燃料中子吸收板生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線已穩(wěn)定運行多年，運行平穩(wěn)可靠。

對核燃料中子吸收板擠壓和軋制過程進行了理論分析，揭示核燃料中子吸收板擠壓和軋制變形機理和變形規(guī)律，結(jié)合相關(guān)工藝試驗，提出了核燃料中子吸收板擠壓和軋制過程的工藝技術(shù)路線，在此基礎(chǔ)研制了相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)了鋁基陶瓷增強中子吸收板材的自主生產(chǎn)。生產(chǎn)的核燃料中子吸收板于在核電產(chǎn)品鑒定會上通過鑒定，生產(chǎn)的中子吸收板，達(dá)到國際先進水平，致密度、板材性能優(yōu)于進口產(chǎn)品，直接應(yīng)用于CAP系列核電站燃料貯存格架，還可推廣應(yīng)用到其他核電站和各類核設(shè)施。

4 小結(jié)

采用本文所述的鋁基碳化硼核燃料中子吸收板制備關(guān)鍵技術(shù)能夠生產(chǎn)高性能的中子吸收板，并已成功應(yīng)用于國內(nèi)重點核電站，針對這一制備技術(shù)，小結(jié)如下：①利用本文所述粉末冶金及擠壓軋制鋁基碳化硼核燃料中子吸收板制備工藝及關(guān)鍵技術(shù)，能夠生產(chǎn)高性能的核燃料中子吸收板，其部分性能已經(jīng)優(yōu)于進口產(chǎn)品；②利用本文所述粉末冶金及擠壓軋制鋁基碳化硼核燃料中子吸收板制備工藝及關(guān)鍵技術(shù)，具備批量生產(chǎn)能力，但擠壓和軋制過程的成材率以及生產(chǎn)效率還需進一步提高。