散裂中子源用Cd复合板的制备技术

王旭峰，尉北玲，周　军，李中奎，文惠民，张海芹

（西部新锆核材料科技有限公司，陕西西安710299）

散裂中子源用Cd复合板的制备技术

王旭峰，尉北玲，周军，李中奎，文惠民，张海芹

（西部新锆核材料科技有限公司，陕西西安710299）

在新一代散裂中子源中，Cd复合板成为其中不可或缺的减震材料。通过对4种Cd复合板制备技术（热等静压复合、爆炸复合、冷喷涂复合、冷轧复合）的介绍及比较，指出热等静压结合适当热处理可以制备出性能优异的Cd复合板，同时提出了未来可以采取爆炸+冷轧复合的技术制备Cd复合板。

散裂中子源；Cd；复合板

中子散射技术的发展对中子通量提出了更高的要求，而中子源主要分为反应堆和散裂源［1］。其中核反应堆是一种稳定连续的中子源，但是核反应堆中子通量在上世纪就达到饱和，单纯利用裂变反应堆难以获得很高的中子通量。因此，散裂中子源应运而生，其中子通量超过了反应堆中子源的上限，且其具有不使用核燃料及没有核临界问题的优点，所以被国际公认是新一代高效安全的强流中子源。目前我国正在广东东莞建设的散裂中子源（CSNS）是我国“十一五”期间重点建设的大科学装置，其质子束功率可达100 kW，CSNS是有效脉冲中子通量居世界前列的散裂中子源装置。CSNS建成后，将与英国、美国、日本的散裂中子源相并列，成为世界四大主要脉冲散裂中子源科学中心之一。

在散裂中子源中（Spallation Nuclear Source，见图1，采用高能质子来轰击重核产生中子，这种中子源又分为长脉冲中子源和短脉冲中子源［2］。为了获得高质量的中子束，需要用到氢气慢化剂，一方面可以吸收热中子，另一方面防止中子进入减震器，并且缩短中子束的衰减时间。高截至能量Ed（1～2eV）的材料可以获得短的衰减时间，B4C减震器的Ed较高，但是因为其He空位膨胀和（n，α）反应，难以用在兆瓦级中子源中［3］。而0.3 cm厚的Ag-15%In-5%Cd（AIC），Ed就高达1eV，且其没有B4C的He空位膨胀和（n，α）反应，因此可以作为减震器材料。此外，考虑到使用过程中热量的排除和腐蚀，AIC必须粘合在两块Al合金板中使用。另外，Cd也具有较高的Ed，可以被用来做中子源的毒物板。因此研究散裂中子源用Cd复合板的制备技术具有十分重要的意义。

图1　散裂中子源结构示意图

1　Cd复合板的制备技术

1.1热等静压复合技术（HIP-Cladding）

热等静压（Hot Isostatic Pressing，简称HIP）是一种集高温、高压于一体的工艺生产技术，加热温度通常为1 000～2 000℃，通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质，工作压力可达200 MPa.在高温、高压的共同作用下，工件的各向均衡受压。故加工产品的致密度高、均匀性好、性能优异。同时该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点［4］。目前，热等静压技术的主要应用有：金属和陶瓷的固结、金刚石刀具的烧结、铸件质量的修复和改善、高性能磁性材料及靶材的致密化及硬合金后期致密及扩散粘结等，此外热等静压技术还可用于高压化学反应装置中［5］。

热等静压复合可以使不相容的材料，如金属/金属间化合物与陶瓷粉末的粘结。对于高性能要求的材料常采用烧结-HIP相结合的方法。HIP可以制作各种形状/尺寸的材料，包括柱状坯、平矩形棒坯及内外几何形状复杂的部件［6］。HIP扩散结合被认为是制造曲界面部件，连结异种材料的理想工艺［7］。HIP粘合工艺的优点是：（1）可以大表面粘结；（2）可以使表面各个方向上同时粘结；（3）可以曲面粘结；（4）粘结粉末材料（同时压力烧结）；（5）粘结脆性材料；（6）在粘结的同时提高基体材料的性能［6］。

M.Teshigawara［3］等人研究了两种合金板Ag-In （85Ag-15 In wt%）、Ag-Cd（70Ag-30Cd wt%）和Ag-In-Cd（80Ag-15In-5Cd wt%）和Al（A6061-T6）在不同温度和保温时间下的HIP复合。结果表明：具有“三明治”夹层结构（Ag-In合金夹在Al及Ag-Cd合金中间，见图2所示）的包覆层在803 K、100 MPa下保温1 h，可以获得较好的结合。由于Al和Ag-In 或Ag-Cd界面处发生反应而发生脆化，提出可以尝试用另外一种夹层结构来获得更高的强度。HIP使Al合金（6061-T6）的强度降低了1/3，为此进行了788 K下保温30 min的热处理加水淬处理，有效地恢复了合金的强度。

图2　具有“三明治”结构的AIC复合板

1.2爆炸复合技术（Explosive welding）

爆炸复合是一种固体加工技术，避免了熔化焊的脆性焊接接头。其主要优点是：在无须加热的条件下，大面积地焊合异种金属，而且可以在曲面，如管状、棒状金属上包覆涂层；爆炸焊合对合金物理性能影响小，金属界面的电阻和热阻都很低；金属薄片包覆尤其用于航空航天的涂层技术，来提高材料的高温性能等。

爆炸复合技术的原理图见图3所示。其工艺过程是：把金属中间体平行放置于距基体金属一定距离处，以便在爆炸后获得足够的速度。在中间金属一端或中间点燃引爆剂，爆炸的冲击波使中间金属迅速向基体冲去，两片金属剧烈碰撞产生金属喷流，把金属表面冲刷干净。在巨大的冲力下两金属牢固地结合在一起。由于金属喷流速度发生震荡，使焊界面呈现波纹花样，并且波纹关于引爆索的位置对称，离对称轴越远，波纹越大。

图3　爆炸复合原理图

爆炸复合技术与其它方法的区别在于［8］：（1）高压；（2）高的应变速率；（3）作用载荷的局部性和移动性；（4）复合板复合界面呈现波状结合；（5）不受材料熔点、塑性相差悬殊的限制，而且复合尺寸规格灵活性很大。

Masayoshi Kawai等［9］研究了用Al板包覆Cd毒物板，发现下部的Al板出现裂纹，使引爆剂的位置远离Cd板并且使用了较厚的Al板后裂纹减少；另外，Al板和Cd板发生了塑性变形，给后续的高精度平板加工带来了困难。要减少变形，有待工艺参数的优化。总之，爆炸复合后各板结合较好，是一种很有前景的制备工艺。

爆炸复合技术主要适合于单张面积较大、厚的复合板材产品或复合板坯、多层复合板的生产。其机理仍须进一步的研究，在此基础上应该开展爆炸复合的模拟研究，提高工艺的自动化程度，降低操作的危险性。

1.3冷喷涂复合技术（Cold Spraying）

冷喷涂复合技术是近年来发展的一种技术，冷喷涂中颗粒在低于熔点的温度下以固体形式喷到基体上，涂层的形成主要受颗粒动能的影响，从而可以避免一些不利的热因素对涂层的影响，因此适用于那些在传统喷涂工艺中受温度影响大、易氧化、易发生相变或反应的材料的喷涂［10］。

冷喷涂复合技术见图4所示：通过采用高压气体和德拉瓦喷管（De Laval nozzle）来获得很高的粒子速度。一束高速气流在加热器中加热，不仅提高了德拉瓦喷管最窄处的声速和保证气流和喷涂颗粒具有高的速度，而且升高颗粒的温度可以增强颗粒与基体碰撞过程中的塑性变形。通过给料器的一支高压气流，将携带喷涂颗粒沿轴向冲向德拉瓦喷嘴的中心。在德拉瓦喷管的发散口，气流和颗粒被加速到超声速并且被冷却下来，两者一起高速冲向基体，将颗粒涂在基体表面［11］。冷喷涂中颗粒与基体的结合，被认为是在界面处发生了强烈的塑性变形导致的。

图4　冷喷涂复合技术原理图

用冷喷涂复合技术制作Cd毒物复合板，可以避免加热时产生镉蒸汽（有毒）。由于一次喷涂的厚度在10-2～10-1mm，要得到几厘米厚的包覆层必须经过多次喷涂，Masayoshi Kawai等［9］研究了Al粉在Cd板上的多次喷涂，得到最佳工艺参数是：氮气压力3MPa，喷管温度300℃.用光学显微镜观察涂层，发现累积的涂层在Al涂覆层表面存在很多空隙，Al/Cd界面处空隙较少，空隙产生的原因和消除方法有待进一步研究。

1.4冷轧复合技术（Cold rolling Cladding）

冷轧复合技术是一种有效的生产层状复合板的工艺方法，可以生产比较薄的板带复合材料。根据轧制复合温度参数，轧制复合法可分为热轧复合法和冷轧复合法。冷轧复合法中，根据轧机轧辊的转速或辊径的差异，可分为等辊径等辊速复合法和异步轧制复合法。

冷轧复合技术的基本原理是指金属板在受到轧机强大压力的作用下，在两层金属的待复合表面发生塑性变形，使表面金属层破裂，得到洁净而活化的金属表面，进而形成平面状的冶金结合。在后续的热处理过程中结合层继续扩大，形成稳固结合［12］。轧制复合与单金属板轧制的根本区别在于，必须施以大的初始道次压下量，促使复合面的物理接触。

冷轧复合技术经常用于Al合金和其他金属的复合，这种方法可以在基体和包覆层之间产生新生界面，有利于两种材料的牢固粘合。实验中改变道次数（1～13）和轧制温度对6组试样进行轧制，最大轧制率为26%.超声波检测发现Al和Cd的粘合并不牢固，分析认为是Al板表面的Al2O3没有去除所致，要得到良好的粘合必须在滚轧前对金属进行预处理［9］。

1.5爆炸+冷轧复合技术

爆炸复合法对于生产较薄的（≤6 mm）和对表面质量要求较高的层状金属复合板比较困难；轧制复合法虽然可以生产不同厚度和表面质量较高的层状复合板，但是复合板的组元成分和宽度受到轧机轧制能力限制。因此，可以先通过爆炸复合法制备较厚的复合板坯，再根据不同的要求，通过热轧或冷轧或热轧+冷轧的工艺轧制成所需的复合板。

爆炸+冷轧复合技术是一种比较灵活可靠的工艺方法［12］，它综合了爆炸和轧制两种工艺的优点，可以生产较大面积的复合薄板带，因此有望被用于要求较高的散裂中子源用Cd复合板的生产上。

2　结束语

（1）散裂中子源用Cd复合板可以采用热等静压、爆炸复合、冷喷涂、冷轧等多种复合技术制备，其中采取热等静压结合热处理的方式可以制备出性能优异的Cd复合板。

（2）爆炸+冷轧复合技术结合了两种技术的优点，未来有望用于Cd复合板的制备。

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The Processing Method of Cd Plate in Spallation Nuclear Source

WANG Xu-feng，WEI Bei-ling，ZHOU Jun，LI Zhong-kui，WEN Hui-min，ZHANG Hai-qin
（Western Energy Materials Co.，Ltd.，Xi’an 710299，China）

In the new generation of spallation nuclear source，Cd plate can be used as unique vibration-absorptive material.Compared with 4 different processing methods（HIP，Explosive welding，Cold spraying，Cold rolling），HIP also with heat treatment can be the best way to prepare Cd plate.The explosive welding connect ing with cold rolling method can be used for preparing the Cd plate in the future.

spallation nuclear source；cd；clad plate

TG77

A

1672-545X（2016）07-0100-04

2016-04-27

王旭峰（1984-），男，陕西西安人，硕士，工程师，研究方向：核材料、难熔金属。