[发明专利]一种铝基碳化硼复合涂层制备方法

说明书

本发明属于表面工程处理技术领域，具体涉及一种铝基碳化硼复合涂层制备方法，工艺过程包括原料预处理、基材预处理、涂层冷喷涂和涂层后处理共四个步骤，与现有技术相比，具有以下优点：1、能够快速制备厘米级别厚度的结构件，无需高温高压工艺，经过后处理，铝基碳化硼复合涂层的抗拉强度大于220MPa，孔隙率低于1.5％；2、工序简单，材质均匀，致密度高，相对密度98.5％以上；3、铝基碳化硼复合涂层经过热老化、腐蚀和辐照试验检测，材料性能无变化；综上所述，本发明制备的碳化硼铝基复合涂层具有相对密度高、材质均匀、抗腐蚀、耐热老化、良好的r射线和中子吸收性能特点，能够应用于核电厂燃料贮存格架、燃料运输、转运和中子屏蔽的领域。

技术领域：

本发明属于表面工程处理技术领域，具体涉及一种铝基碳化硼复合涂层制备方法，用于喷涂铝基碳化硼核废料存放部件。

背景技术：

核电厂燃料贮存格架、燃料运输、转运和中子屏蔽等部件需要中子吸收材料，以避免中子向外辐射。常用的中子吸收材料有铅硼聚乙烯、含硼聚丙烯、镉板、硼钢、碳化硼和铝基碳化硼等，其中铝基碳化硼复合材料同时具有铝基轻质、耐腐蚀和易延展以及碳化硼高中子吸收率的特性，成为目前使用最多的中子吸收材料。中国专利201110169818.2公开的一种铝基碳化硼中子吸收板的制备方法使用的化学物质材料为：铝合金粉，碳化硼粉、钛粉、硅粉、硼酸晶体、石墨纸、细砂，其量值如下：以克为计量单位铝粉：Al975g±1g碳化硼粉：B4C450g±1g钛粉：Ti30g±1g硅粉：Si30g±1g硼酸晶体：B2O·3H2O15g±1g石墨纸：C200mm×300mm细砂：10000g±100g，制备方法如下：(1)精选化学物质材料对制备所需化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：铝粉：固态粉体99.5％碳化硼粉：固态粉体99.5％钛粉：固态粉体99.5％硅粉：固态晶体99.5％硼酸晶体：固态粉体99.5％石墨纸：固态固体99.5％细砂：固态固体粒径≤1.0mm(2)氧化处理铝粉、碳化硼粉①将铝粉置于不锈钢容器内，然后置于电加热炉中，加热至450℃±5℃，进行预氧化，时间60min，成氧化铝粉；②将碳化硼粉置于不锈钢容器内，然后置于电加热炉中，进行预氧化，氧化温度400℃±5℃，时间90min，成氧化碳化硼粉；(3)球磨、过筛将氧化铝粉、氧化碳化硼粉、钛粉、硅粉、硼酸晶体分别磨时间120min，筛网目数650目，球磨后成细粉，细粉粒径≤0.02mm；(4)混合细粉将氧化铝粉、氧化碳化硼粉、钛粉、硅粉、硼酸晶体细粉，按65：30：2：2：1比例置于混料机中，搅拌均匀混合，成混合细粉；(5)粉末冶金、制坯①粉末冶金、制坯是在不锈钢模具内电阻加热压力机上进行的，不锈钢模具为开合式矩形体，先在腔内加贴石墨纸，然后将混合细粉加入模具中；②将模具及混合细粉置于压力机上，加压260T预压成型，然后放入电阻加热炉中，加热至500℃±5℃；恒温保温30min，然后用260T进行挤压，继续升温至600℃±5℃，恒温、保温30min，并用260T压力继续进行挤压；③关闭电阻加热炉，使其随炉自然冷却至200℃；④开启不锈钢模具，取出粉末冶金坯料；⑤细砂中冷却，将粉末冶金坯料埋入细砂中，冷却至25℃，成复合板坯料；(6)热挤压成板①粉末冶金后的矩形坯料的挤压，是在开合式不锈钢模具、在加热压力机上进行的；②将模具安装于压力机底座上，置于电加热器上，将下模板垂直置于模具底部，在下模板上均匀铺一层石墨纸，然后将粉末冶金后的复合板坯料置于石墨粉上部，然后在复合板上部均匀铺一层石墨纸，然后将上模板压在石墨纸上，然后将压力机的压力板压在上模板上；③开启压力机底座上的电阻加热器，加热温度550℃—600℃；④开启压力机电机，对复合板坯料进行挤压，压力机压力260T，复合板在压力下进行塑性变形，并向模具内四周延伸，成矩形板状；⑤当复合板坯料与模具内腔尺寸吻合后，停止加压，使其在加热状态下，恒温静置30min；⑥关闭电阻加热器，使其自然冷却至25℃；⑦升起压力机，打开模具开合架，取下模板、复合板，中子吸收复合板成型；⑧将中子复合板切割、修整周边，成：180×500×5mm铝基碳化硼中子吸收复合板产品；(7)中温回火处理对制备的中子吸收复合板置于热处理回火炉中进行中温回火处理，回火温度450℃±5℃，时间120min；回火后，关闭回火炉，使其自然冷却至25℃；(8)检测、分析、表征对制备的铝基碳化硼中子吸收板的形貌、色泽、金相组织结构、显微硬度、耐腐蚀性，中子吸收率进行检测、分析、表征：用中子注量率仪进行中子吸收率检测分析；用电子显微镜和扫描电镜对复合板横断面、纵断面进行金相组织微观组织形貌分析；用显微硬度仪对复合板进行显微硬度分析；用电化学腐蚀试验仪进行表面腐蚀性能分析；用万能试验机进行抗弯、抗拉分析；结论：Al基B4C中子吸收板为灰白色矩形板，中子吸收率≥90％；碳化硼分布均匀，颗粒与基体界面结合紧密，基体显微硬度为185.8HV，颗粒显微硬度为2022.2HV，表面耐腐蚀电位为－0.45V，抗弯曲角度为≥10°，抗拉强度≥200MPa，断后伸长率≥1.8％，断后收缩率≥1.0％；(9)储存对制备的铝基碳化硼中子吸收板用软质材料包装，储存于干燥、洁净环境，要防水、防潮、防晒、防火、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃±2℃；相对湿度≤10％；其存在由于作为中子吸收体的碳化硼分布不均匀，部分中子透过板体辐射到外部，使得中子无法被板体有效吸收的问题；中国专利201210570726.X公开的一种复合屏蔽材料由下述重量百分比的组分组成：2-30％的W或W的化合物，10-68％的B4C，23-72％的铝或铝合金，3-8％的其它组份；所述W或W的化合物为W、WO3、W2O5或W2B5，所述其它组份为Ti、Si、Mg、Zr、V、Cr或其化合物、稀土元素、Y2O3或La2O3；所述其它组份中Ti、Si、Mg、Zr、V、Cr的化合物为TiB2、TiO2、SiO2、MgO、ZrO2、V2O5、Cr2O3；其中，所述复合屏蔽材料制作步骤如下：步骤一、称取原料重量百分比：2-30％的W或W的化合物；10-68％的B4C；23-72％的铝或铝合金；3-8％的其它组份；步骤二、混合各组成物料，装入球磨罐中进行球磨，球磨罐中注入氩气作为保护气氛，球磨时间2-25h，得到混合粉末；步骤三、混合粉末装入软模后采用冷等静压成型，压力为100-270MPa，时间5-60min；步骤四、将冷压坯进行热等静压烧结，热等静压气体为氩气，温度为680-1200℃，压力为30-150MPa，时间为20-180min；步骤五、热等静压后的材料经脱模后即得复合屏蔽材料；所述球磨罐为不锈钢球磨罐，磨球为硬质合金球；其先冷等静压成形，再热等静压处理，存在工序复杂，成本较高，尤其是当温度超过1000℃时，坯料中有Al₄C₃产物形成，严重损害了材料的力学性能，致使材料在后续加工和使用过程中出现更多的内部缺陷问题，而且，制备的铝基碳化硼复合材料中的铝基体容易遭受硼酸溶液的腐蚀，造成不可避免的麻烦。因此，研发设计一种制备工艺简单的铝基碳化硼复合涂层制备方法，使制备的铝基碳化硼复合涂层具有材料致密度高，能够防止硼酸溶液腐蚀的特性，很有应用前景。