ITER 12号水平诊断窗口碳化硼块状材料应用特性研究

国际热核聚变实验反应堆(ITER)12号水平诊断窗口(EQ#12)集成多种等离子体诊断系统用于观测等离子体运行状态,其真空内侧的集成设计在满足窗口重量限制和中子屏蔽要求的前提下,需重点考虑材料的真空放气性能和窗口冷却效率等因素。根据EQ#12真空内侧标准化集成设计方案,使用热压工艺制备碳化硼(B4C)屏蔽块,采用SEM、质谱分析、对称结构流导法、稳态热流法及有限元分析等方法对其微观形貌、理化性能等基础特性,真空放气特性及传热特性进行系统研究。结果表明:该热压工艺下的B4C屏蔽块密度为(2.50±0.01)g/cm^(3),内部微小孔隙少;总硼含量达77.20%,且铁和钴等杂质元素含量均不超过0.03%;真空条件下经过烘烤处理后,块体释放气体组分主要为H_(2),样品对H2的单位面积放气率低至6.94×10^(−9) Pa·m^(3)·s^(−1)·m^(−2);测试了100~500℃、1 MPa界面压力下B4C和不锈钢316L(N)-IG在真空条件下(约10^(−3) Pa)的接触热导,结合测试结果进一步对B4C在应用工况下进行热仿真分析可知,其在ITER装置运行工况下可以有效带走核热、局部最高温度不会超过221.6℃,经48 h的烘烤可升温至209.1℃进行有效除气。针对此种热压B4C块状材料的应用特性研究为核聚变装置真空室内屏蔽材料选择提供了重要参考。

热等静压法制备大尺寸铝基碳化硼复合材料及性能研究

采用热等静压法制备铝基碳化硼复合材料(Al-B4C)板材,测试板材的密度和抗拉强度,并观察复合材料的微观组织和拉伸断口形貌。结果表明,Al-31%B4C(质量分数)板材的尺寸为3 mm×200 mm×5000 mm;Al-31%B4C复合材料的相对密度大于99.69%,抗拉强度大于300 MPa,断后延伸率大于3%,B4C颗粒均匀分布在基体中,并与基体紧密结合;Al-B4C复合材料板材的力学性能符合工程用中子吸收材料的要求。比较含不同质量分数B4C颗粒(10%、15%、20%、25%、30%、31%、35%、40%)的Al-B4C复合材料性能,当B4C质量分数为10%~40%时,随基体中B4C颗粒含量的增加,Al-B4C复合材料的密度和相对密度均逐渐降低;当B4C质量分数为10%~35%时,随基体中B4C颗粒含量的增加,Al-B4C复合材料的抗拉强度逐渐增大,断后延伸率逐渐降低。

粉末冶金法制备铝基碳化硼复合材料的研究进展

本文归纳了粉末冶金法制备铝基碳化硼复合材料的制备工艺,主要包含混料、压制、烧结、变形等工艺环节;对铝基碳化硼复合材料主要性能及影响因素做了阐述,重点整理了材料均匀性、相对密度、力学性能的研究情况;总结了工程用铝基碳化硼材料的生产及使用情况,分析几种常见铝基碳化硼产品的特点;提出采用粉末冶金法生产大尺寸、高品质、低成本的铝基碳化硼材料是未来研究方向之一的观点,并阐述了工艺优化方案。在核电等相关产业的带动下,中国有望成为全球铝基碳化硼复合材料生产和研究中心。

长期热老化对铝基碳化硼中子吸收材料性能的影响

采用粉末冶金工艺制备的铝基碳化硼中子吸收板,经过400℃、8 000 h长期加热处理后,观察了热老化处理后样品表面状态,测试了厚度、密度、力学性能、B4C质量分数、10B同位素含量、10B面密度及微观组织,并与热老化处理前进行了对比,热老化处理后样品表面没有出现裂纹、气孔、鼓泡等现象,抗拉强度、延伸率略有增加,其他各项性能指标与热老化处理前几乎无变化。

钨坩埚密度均匀性研究

为了研究钨坩埚密度均匀性,用等静压-烧结法制备直径301 mm×350 mm钨坩埚,从钨坩埚的壁部及底部线切割取样,检测分析样品密度及氧含量。结果发现:用等静压-烧结法制备出的直径301 mm×350 mm钨坩埚烧坯密度18.22 g/cm^3,机械加工之后钨坩埚密度减小约0.1 g/cm^3;钨坩埚底部密度相对低,圆弧拐角处是密度最低的区域,此处的密度比端口处密度减小约0.2 g/cm^3;钨坩埚密度大的位置氧含量相对低,底部圆弧拐角处是氧含量最高的区域。研究认为:采用充分还原厚壁区域坯料以及促进钨坩埚下部烧结收缩的方法可提高钨坩埚密度均匀性。

铝基碳化硼复合材料10B面密度测量及其均匀性评价

采用热等静压法制备B4C质量分数为31%的铝基碳化硼板材,尺寸为3 mm×200 mm×5000 mm,测试Al-31%B4C板材的密度、厚度,并观察金相组织。采用中子辐照透射法检测板材各位置试样的10B面密度,推算3.05 mm厚的工程板10B面密度值范围为0.0352~0.0389 g·cm^-2,结果显示所测Al-31%B4C板材各处的10B面密度均匀,满足中子吸收工程板对10B面密度的要求。

国产B4C颗粒增强铝基复合材料的耐辐照性能研究

采用粉末冶金工艺制备的国产B4C颗粒增强铝基复合材料中子吸收板开展辐照试验研究,中子吸收板经受累积快中子注量4.22×1019n/cm2、γ射线剂量为4.75×1011rad的辐照后,对材料各项性能进行测试,包括表面形貌、尺寸、质量、密度、力学性能（抗拉强度、硬度和伸长率）及10B面密度,并与辐照前的测试结果进行对比分析。结果表明,在中子和γ射线的辐照作用下,复合材料试样的抗拉强度和硬度提高,伸长率下降,表面形貌未发生明显变化,尺寸、质量、密度及10B面密度均无显著改变。

含B中子吸收材料的研究进展

由于B元素具有高的中子吸收截面,含B中子吸收材料广泛应用于燃料贮存、运输及中子屏蔽防护方面。介绍了铝基碳化硼（B4C/Al）、硼钢、含B聚合物及铝基钨硼复合材料（Al/W/WC/B4C）的制备工艺、性能特点及应用。

热处理工艺对铝基碳化硼板材性能的影响

选用热等静压法制备的铝基碳化硼板材(B4C体积分数为10.5%,下同),对铝基碳化硼板材进行热处理,测试热处理前后铝基碳化硼板材的密度、硬度、室温力学性能,并观察断口组织。结果表明,热处理后,铝基碳化硼板材的密度几乎相同,硬度显著提高;热处理工艺对铝基碳化硼板材的力学性能有显著影响,其中,经加热(500℃×3 h)、水淬、人工时效(170℃×1 h)后,Al-10.5%B4C板材的抗拉强度为365 MPa,断后伸长率为9.6%,比未热处理板材的抗拉强度提高了89.1%,而伸长率降低了48.3%。

高硼钢的微观组织和性能

采用铸造和粉末冶金工艺制备硼含量分别为1.04%、1.50%和1.86%的高硼钢,研究了合金的微观组织、物相、硼元素在组织中的分布和物理、力学性能。实验结果表明:粉末冶金工艺制备的合金硼元素分布均匀、而铸造合金硼元素偏聚在晶界,所以前者制备的合金塑性明显优于后者。检测了304B7高硼钢的线膨胀系数和热导率,与普通304不锈钢性能无明显区别。

硼含量3.29%高硼不锈钢的微观组织和性能研究

本文采用粉末冶金技术制备了硼含量为3.29%的高硼不锈钢,并与硼含量0.3%和1.9%的高硼不锈钢进行了对比,研究了其微观组织、物相、硼元素在组织中的分布及对合金性能的影响。试验结果表明:粉末冶金工艺制备合金的硼相晶粒呈不规则的长条形,硬质的含硼相为Fe_(1.1)Cr_(0.9)B_(0.9),合金的抗拉强度达到了900 MPa、伸长率为1.0%。