Al-B_(4)C中子吸收材料的电化学腐蚀行为研究

【目的】研究Al-B_(4)C中子吸收材料的电化学腐蚀性能。【方法】采用球磨混粉-压力成型-真空烧结的方法制备了4种不同碳化硼含量的Al-B_(4)C复合材料,并对材料进行电化学腐蚀试验,腐蚀溶液为5%NaCl溶液。【结果】结果表明:碳化硼含量30%以下时,材料的耐腐蚀性能随着碳化硼含量的增加逐渐增强;碳化硼含量达到40%时,材料的耐腐蚀性迅速下降,且4种材料在各自电位区间发生了钝化现象。【结论】碳化硼含量10%时钝化现象最明显,材料腐蚀方式主要以点蚀为主。

Al-B_4C复合材料中子吸收性能研究

利用蒙特卡罗方法和^(252)Cf中子源研究了在准直热中子入射束下,15%~30%(质量分数)碳化硼含量的Al-B_4C复合材料的中子吸收系数和宏观截面。结果表明,Al-B_4C复合材料的中子吸收系数随碳化硼含量增加而增大,相同碳化硼含量的材料其中子吸收系数随厚度的增加按指数规律变化;^(252)Cf中子源测试得到的中子吸收系数比0.0253eV单能热中子计算得到的吸收系数低0.5%~4.3%;Al-B_4C复合材料的宏观截面随着碳化硼含量的增加呈线性递增的关系,而且理想热中子0.0253eV下的递增率(0.97925cm^(-1)/%)大于^(252)Cf中子源构建0~1eV中子下的递增率(0.58537cm^(-1)/%)。

中子吸收用B4C/6061Al复合材料在硼酸水溶液中的腐蚀行为

对B4C/6061Al复合材料分别进行酸洗、阳极化和喷丸处理,研究了其在硼酸水溶液(90℃)中的均匀腐蚀、缝隙腐蚀和包覆腐蚀行为。结果表明:酸洗、阳极化、喷丸处理试样腐蚀不同时间后的质量、厚度、密度均变化不大;阳极化和喷丸处理试样均匀腐蚀后未呈现明显腐蚀现象,酸洗处理复合材料表面颜色随腐蚀时间延长而加深;缝隙腐蚀后,不同表面处理试样非模拟缝隙腐蚀区表面状态良好,而模拟缝隙腐蚀区的腐蚀程度较为严重;包覆腐蚀后,不同表面处理试样均发生局部腐蚀,生成了絮状的铝氧化物,阳极化处理试样的阳极化膜局部脱落。

B4C/6061Al复合材料中子吸收板在高温和装卸料模拟工况下的老化行为

对B4C质量分数分别为26%和31%的B4C/6061铝合金(6061Al)复合材料中子吸收板在高温(400℃)和装卸料模拟工况(硼酸水浸泡→去离子水清洗→高温干式运输过程)下进行老化试验,通过拉伸性能、尺寸、质量、密度等变化分析了其老化行为。结果表明:2种复合材料中子吸收板在高温老化过程中的性能稳定,尺寸、质量、密度、B4C含量及10B面密度均无明显变化,高温老化后375℃及室温拉伸性能随老化时间的延长未发生明显变化;模拟工况试验后矩形试样表面无明显的局部腐蚀现象,包覆试样表面局部腐蚀形成氧化膜,试验前后试样的厚度、质量、密度和10B面密度无明显变化。

碳纤维增强B_4C/Al中子吸收材料的优化设计

核电站中乏燃料储存格架用到的中子吸收材料需要兼具结构和功能一体化的要求,本文提出用碳纤维Cf增强B4C/Al中子吸收复合材料。利用Monte Carlo方法对碳纤维增强铝基碳化硼中子吸收材料(Cf/B4C/Al)的中子透射率进行模拟计算,研究B4C含量、Cf含量、不同能量中子入射以及材料厚度变化时对中子透射率的影响,并与B4C/Al材料进行比较。结果表明,在1 e V-0.1 Me V能量范围的中子入射下,当B4C含量小于35%时,加入碳纤维能明显改善B4C/Al材料的中子屏蔽性能;在100 e V中子入射下,材料的中子透射率随B4C含量增加呈现指数下降;且Cf/B4C/Al材料的中子透射率随碳纤维含量增加持续降低;当Cf含量达到10%时,材料中子透射率降至最低,之后趋于平稳。通过模拟计算,得到Cf/B4C/Al材料的各组分的最优配比为35 vol.%B4C和10 vol.%Cf。

B_4C/Al中子吸收材料的拉伸性能及断口特征

通过B4C/Al中子吸收材料在室温至350℃的拉伸试验,分析了该材料的拉伸断裂主要影响因素,阐述了B4C颗粒粒度对拉伸断裂的影响。结果表明,温度对B4C/Al材料拉伸性能有明显影响,该中子吸收材料是低塑性材料,但与国外同类材料相比拉伸性能优良;大颗粒B4C与基体的协调变形能力差,拉应力下B4C和基体铝界面易产生剪切应力,使其与基体脱离开;B4C/Al材料在拉伸过程中,裂纹首先在大颗粒B4C与Al基体的界面处产生。

高密度B4C／Al中子屏蔽材料的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法,运用MCNP4C程序对能量为0.5–2MeV的中子及碳化硼含量为5%–15%、入射厚度为3–15cm的高密度B4C/Al复合材料进行中子透射性能计算。结果表明:碳化硼含量与透射系数呈一次线性下降关系,且透射系数下降幅度较小;中子能量升高,透射系数呈现起伏性,比如0.8MeV的中子比0.5MeV的中子透射系数要小;材料对能量为0.5MeV、0.8MeV、和1.2MeV的中子屏蔽效果较好;材料厚度与透射系数呈指数下降关系,且透射系数下降幅度较大,当材料厚度在13cm以上时,材料的屏蔽性能在90%以上。

高含量B4C/Al6061复合材料微弧氧化机制及耐腐蚀性

用微弧氧化技术对30%B4C/6061Al复合材料进行了表面改性处理,探索了该材料的微弧氧化机制、表面反应产物和形貌。结果表明：B4C/6061Al复合材料表面生成了一层灰白色的Al2O3层,B4C陶瓷粉末颗粒与基体6061Al微间隙得到闭合,其腐蚀电流密度降低约三个数量级,耐蚀性能高于未做表面微弧氧化的复合材料。

B_4C/AZ91镁基复合材料的微观组织及力学性能研究

本文采用真空热压烧结方法制备了碳化硼(B_4C)颗粒增强AZ91镁基复合材料(B_4C/AZ91),研究了不同的烧结温度对B_4C/AZ91镁基复合材料微观组织及性能的影响。研究结果表明:复合材料内部主要物相为Mg和B_4C,B_4C颗粒在基体镁合金当中均匀分布,颗粒与基体之间界面结合良好,在颗粒与基体的界面处存在厚度为3μm的界面反应层。当烧结温度为490℃,复合材料的硬度和压缩强度达到极大值,分别为HV132.8和407 MPa,该复合材料的断裂方式为脆性剪切断裂。B_4C颗粒加入到镁合金基体中具有强化作用,其强化机理主要为热配错强化、载荷传递强化和Orowan强化机理。

轧制态B_(4)C铝基中子吸收板微观组织演变与力学性能

碳化硼(B_(4)C)中B的同位素10B具有大的热中子吸收截面,将B_(4)C颗粒添加到铝合金中,制备成的B_(4)C/Al基复合材料在核电站中子屏蔽领域具有广泛的应用前景。采用真空热压后多道次轧制方法制备了颗粒含量为30wt.%B_(4)C/6061 Al中子吸收材料板材,通过脉冲电流热处理方法对制备的板材进行热处理,研究电流效应对材料内部微观组织和力学性能的响应机理。研究结果表明:脉冲电流的施加可以促进基体合金的再结晶程度,愈合颗粒/基体异质界面处的微缺陷,提高界面的结合强度,同时抑制基体合金晶粒的增长,降低界面残余应力;随着施加脉冲电流时间的延长,复合材料的抗拉强度和延伸率呈现升高的趋势,最高可达245.2 MPa和9.02%,使B_(4)C颗粒的载荷传递作用增强,电流的“非热效应”起到了主导的作用。

B_4C/Al复合材料力学性能及其断裂机理的研究

对无压浸渗法制备的B4C/Al复合材料进行了力学性能测试。结果表明,B4C/Al复合材料的抗弯强度和断裂韧性与单一B4C材料相比有显著提高。B4C/Al复合材料的抗弯强度及断裂韧性分别比单一B4C提高了18.39%和75.27%,但其硬度降低。B4C/Al复合材料经扫描电镜和背散射仪分析后发现,无压浸渗法制备的B4C/Al复合材料中没有大尺寸的显微缺陷,组织分布比较均匀、致密;B4C以连续的骨架结构存在,而渗入的铝相也以连续基体的形式存在;单一B4C存在较多的穿晶断裂,而B4C/Al复合材料的断裂方式主要以沿晶断裂为主,这是B4C/Al复合材料断裂韧性提高的主要原因。

B_4C/Al对慢中子衰减性能研究

本文用Burrus模型和蒙特卡罗方法,模拟中子透过B4C/Al板的衰减规律。在Burrus模型中,选用0.025 3eV中子为中子源,B4C/Al板厚度为0.15cm,0.20cm,0.25cm,0.30cm,0.35cm,其中B4C的质量百分含量为20%,30%,40%。结果表明,在B4C/Al复合材料中,B4C含量越高,颗粒越小,材料的中子吸收效果越好,中子透射率越小。入射到B4C/Al板的中子,在B4C/Al板的穿透率与入射角方向有关,垂直与B4C/Al相互作用时,中子透射出的概率最大,随着入射角弧度增大,中子在B4C/Al板的透射率逐渐变小。蒙特卡罗方法使用MCNP程序对B4C/Al与中子的相互作用进行模拟,结果表明,B4C/Al板对能量为0.025 3eV的中子比1.0eV的中子有更大的吸收效果。

用于反应堆乏燃料贮存和运输的B_4C/Al复合材料研究进展

B4C/Al复合材料是一种集结构和功能于一体的中子吸收材料,在反应堆乏燃料贮存和运输领域有着广阔的应用前景。综述了B4C/Al复合材料的主要制备工艺及国内外研究现状,并展望了未来的发展方向,最后指出随着我国核电事业的发展,B4C颗粒增强铝基复合材料将作为研究重点并在辐射屏蔽领域广泛应用。

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。

钝化处理对Al-B_(4)C复合材料在硼酸溶液中缝隙腐蚀行为的影响

将经过钝化处理(FP)和未经钝化处理(AA)的Al-B_(4)C复合材料试样与聚四氟乙烯垫片有缝隙的一面紧密贴合在一起,然后分别浸泡在40℃、硼离子(B^(3+))质量浓度为2700 mg/L和90℃、硼离子质量浓度为2500 mg/L的硼酸溶液中3000 h进行缝隙腐蚀试验,以研究Al-B_(4)C复合材料在硼酸溶液中的缝隙腐蚀行为。结果表明:在40℃、硼离子质量浓度为2700 mg/L硼酸溶液中腐蚀试验的AA试样在缝隙与无缝隙部位的交界处有堆集的腐蚀产物,而在90℃、硼离子质量浓度为2500 mg/L的硼酸溶液中腐蚀试验的AA试样在缝隙与无缝隙部位交界处的氧化膜较薄,且表面生成了条带状氧化物;在两种硼酸溶液中缝隙腐蚀试验的FP试样表面没有发生明显的变化,显示出了良好的耐缝隙腐蚀性能。

B_4C/6061Al中子吸收材料FSW接头的纳米压痕和拉伸性能研究

采用粉末冶金的方法制备了30vol%B_4C/6061Al中子吸收材料板材。通过搅拌摩擦焊(FSW)的方法对4 mm厚30vo1%B_4C/6061A1中子吸收材料板材进行对接焊接,获得了表面成形良好的焊缝。采用纳米压痕法对FSW焊接接头的焊核(WZ)、热力影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)和母材(BM)4个区域中的微区力学性能进行研究,对焊接接头的拉伸性能进行了测试。运用扫描电镜对压痕的微观形貌和拉伸断口进行表征。结果表明:在同一区域中,随着距颗粒/基体界面距离d(d<11μm)的增加,微区的硬度和弹性模量总体呈现降低趋势。在微区数值均值化后,不同区域的硬度和弹性模量由高到低为WZ、TMAZ、BM和HAZ,压入功恢复率在WZ、TMAZ、HAZ和BM依次为28.10%、25.14%、31.76%和29.30%。在焊接接头不同区域出现性能差别的原因是由于在FSW过程中不同区域的塑性变形程度和热循环作用不同导致的,FSW接头强度可达母材的85.7%,断裂部位在HAZ区。

B_4C/6061Al中子吸收材料微观结构及其力学性能

采用真空热压后轧制的方法(VHPR)成功制备了混合粒径增强的B4C/6061Al中子吸收材料,B4C含量分别为0%、20%、30%和40%(体积分数)。对中子吸收材料的微观组织形貌及其界面行为进行了观察,对材料的拉伸强度及断口进行了测试分析,对强化机理进行了讨论。结果表明:6061Al基体构成了空间网络结构,界面结合处为冶金结合,界面扩散层厚度可达5μm,随着B_4C颗粒含量的增加,中子吸收材料内部小粒径B_4C颗粒出现了局部的团聚现象。中子吸收材料的强度呈现先增大后减小的趋势,断裂方式主要为沿界面开裂和B_4C颗粒的解理断裂。中子吸收材料经过多道次的轧制以后,基体铝晶粒得到细化,在B_4C颗粒周围出现了大的塑性变形区,轧制同时也提高了B_4C颗粒在基体铝中的分布均匀性,减少材料内部缺陷。

放气式B_4C控制棒

根据表面张力-毛细管现象、液体中浸入式排气孔气泡成长与脱离行为以及基本水力学理论,对潜钟型双放气设计的基本原理进行了讨论,并给出算例与参考结构。分析表明:冷却剂(钠)不渗入潜钟的必要条件是潜钟与冷却剂之间的压差p_g-p_1>4σ/d_i;放气孔直径d_i的最可取值小于0.3mm,冷却剂流速v不是关键参量;放气方案对中等燃耗以下的设计没有显著好处;湿式放气方案特别可取。

B_(4)C_Al材料中子吸收性能检测设备研制

当前基于燃耗信任制的乏燃料密集贮存方式,对乏燃料水池格架中子吸收材料的可靠性和有效性,都提出了更高的要求。在格架材料生产和使用过程中需要对其中子吸收性能(硼含量)进行无损检测和监测,针对这两个方面的需求,我们研制了核电厂乏燃料水池格架B_(4)C_Al中子吸收材料检测设备。该检测设备主要由中子源(3枚252Cf放射源)、中子探测器(^(10)个锂玻璃组成的探测阵列)、中子屏蔽准直和慢化系统等组成,通过测量中子透射率来推算待测样板上各个测量点的^(10)B面密度,从而达到对于乏燃料水池贮存格架材料B_(4)C_Al合金硼含量的无损检测。使用该套设备进行了两种B_(4)C_Al合金20 cm×30 cm悬挂样片的检测,结果可靠。该B_(4)C_Al材料中子吸收性能检测设备为国内首创,推动了我国含硼中子吸收材料的无损检测研究,能为核电厂乏燃料水池的临界安全监测提供有力保障。

CF-B4C/Al中子吸收复合材料的微观组织及力学行为

基于B_(4)C良好的中子吸收性能和碳纤维(CF)慢化中子的性能,采用真空热压烧结方法制备了集结构与功能一体具有不同CF含量的CF-B_(4)C混合增强6061Al基复合材料,并对热轧后的组织形貌和力学性能进行分析。结果表明,大变形量热轧后B_(4)C颗粒和CF分布较均匀,没有出现大面积的聚集现象,但是少量B4C颗粒和CF在轧制压力的作用下发生了断裂。当变形量达到60%时,复合材料的抗拉强度可达(265±3)MPa,与6061Al合金的抗拉强度相比,不同厚度的CF-B_(4)C/Al复合材料的抗拉强度分别提高了80%和112%。随着CF含量的增加,CF-B_(4)C/Al复合材料的强度和延伸率均减小。当CF含量达到5wt%时,断裂的主要原因是有纤维的聚集及纤维沿断裂方向排布。