铝基碳化硼核燃料中子吸收板制备关键技术及应用

王大号，赵晓辉，王震，吴凡，杨博，白鹏鹏

(西安重型技术有限责任公司，陕西 西安 710032)

中子吸收材料主要用于制造核电乏燃料储存装置。中子吸收板是第三代核电燃料贮存格架中关键的功能材料，其生产技术与装备是制约我国燃料贮存格架国产化的“卡脖子”问题。铝基碳化硼陶瓷增强材料主要以Al-Mg-Si合金为基体，B4C为中子吸收体的复合材料，是一种很有前景的新型反应堆中子吸收材料，铝基碳化硼陶瓷增强材料除了作为核电和核工程中子吸收材料使用，还可推广至核反应堆等大型设施及军用中子屏蔽材料等领域，是第三代核电燃料贮存和运输设备的关键功能材料。

难变形铝基碳化硼核燃料中子吸收板制造关键技术及应用是未来核燃料中子吸收板高成材率、高效节能生产和良好性能的关键，其关键技术和应用是发展这一技术迫切需要研究和解决的此领域前沿挑战性课题，具有重大的社会和经济效益[1]。

1 铝基碳化硼中子吸收板制备工艺路线及技术原理

铝基碳化硼陶瓷增强材料核燃料中子吸收板工艺步骤由粉末混合、压制、烧结、挤压、轧制五个步骤。将粉末冶金后的坯锭经过加热和均匀化送入挤压机，采用特定的挤压工艺参数挤压，通过牵引、横向传输和定尺锯切分成特定长度的板材，之后通过可逆热轧工艺技术反复轧制，成为性能和形状符合要求的核燃料中子吸收板。

本项目的总体思路是采用以理论解析分析、计算机数值模拟、实验研究、工程实例应用和推广有机结合的方法，建立了核燃料中子吸收板的挤压和轧制成形温度控制系统、速度控制系统、板型控制系统，研制开发了成套的铝基碳化硼核燃料中子吸收板制备关键技术。

2 铝基碳化硼中子吸收板制备关键技术

铝基陶瓷增强材料核燃料中子吸收板制备关键技术包括。

2.1 低速闭环精确挤压速度控制技术

核燃料中子吸收板材料塑性差，挤压速度比较低，而且对速度稳定性要求很高，因此需要挤压时速度低速闭环控制。根据核燃料中子吸收板材料的挤压工艺技术路线，按照挤压机液压系统和电气控制系统配置特点，提出伺服低速闭环挤压速度精确控制技术路线，进而开发基于速度反馈的比例油泵和伺服阀闭环速度精确控制系统。

不同挤压速度下，挤压模拟过程中挤压模具出口温度变化情况可以看出模拟挤压过程中，挤压速度越小，挤压时间越长，挤压过程中的坯料热传导损失热量越多，当挤压速度为0.2mm/s、0.5mm/s时，坯料温度降低明显，金属流动性能降低，挤压过程中挤压力明显增大。当挤压速度为1.5mm/s时，挤压过程中挤压出口温度一直升高。当变形速度较高时，因变形引起的热效应会使挤压毛坯的温度升高，从而流动应力明显降低；当变形速度再增高时，虽然毛坯的升温很明显，但是由于变形过程中金属的加工硬化速度比再结晶过程中的软化速度快，坯料的流动应力会明显增大。因此挤压过程中必须认真控制挤压速度。挤压速度对变形热效应、变形均匀性、再结晶和固溶过程、制品力学性能及制品表面质量均有重要影响。挤压速度过快，制品表面会出现麻点、裂纹等倾向；同时，增加了金属变形的不均匀性。因此，在满足挤压要求的前提下，挤压速度尽可能小。综上所述，通过对不同挤压速度下，挤压过程的模拟，选择挤压速度参数为0.8～1.0mm/s[2]。

2.2 挤压过程温度精确恒定控制系统

核燃料中子吸收板材料可挤压温度范围窄，需要挤压设备能够在整个挤压过程中使锭坯、挤压筒和相关工模具维持在挤压温度范围内，因此本项目研究了核燃料中子吸收板材料挤压过程温度变化规律，采用在线模具加热技术，建立挤压过程温度精确恒定控制系统。

不同模具温度下，挤压模拟过程中挤压力情况可以看出模拟挤压过程中，模具温度参数是挤压过程中非常重要的参数，对挤压力参数都有重要影响。模具温度越低，挤压过程中坯料热传导散失的热量越大，挤压过程中坯料温降越大，挤压力越大，坯料挤压出口的变形应力越大。当模具温度高于坯料温度时，挤压过程中因变形、摩擦等产生的热量不能通过热传导方式散失，会引起挤压出口温度升高，坯料变形不均匀[3]，综上所述，通过对不同模具温度下，挤压过程的模拟，模具温度应略低于坯料加热温度，对于本次模拟过程，选择模具温度参数为450℃～500℃。

挤压技术路线试验验证

综合仿真模拟结果，在5MN挤压机上，将Φ100mm×300mm的铝基碳化硼坯料挤压成Φ40的实心棒的挤压工艺技术参数为坯料加热温度500℃，挤压温度(挤压筒加热温度)500℃，模具加热温度450℃，挤压速度1mm/s。以此挤压工艺技术参数，在实验室5MN金属挤压机上对上述工艺路线进行了试验，坯料为Φ100mm×300mm铝基碳化硼坯料，制品为Φ40mm实心棒。以铝基碳化硼棒材实验结果为例。试验结果表明铝基碳化硼挤压过程中挤压力相比模拟过程大，表面易出现龟裂，挤压工艺需进一步完善。在此基础上，以实验室的5MN金属挤压机为试验平台，对制品规格为：85×3mm、85×4mm、85×5mm、85×6mm及85×8mm的系列铝基碳化硼板材，进行了试验。

对于试验结果，挤压棒材时，挤压比更大，挤压过程产生的变形热、摩擦热更高，需要选择更低的挤压温度、模具温度及选择更低的挤压速度。不管是挤压棒材还是挤压板材，挤压制品表面均出现较严重龟裂，对于试验过程分析，一方面是铝基碳化硼复合材料铝合金基体中的晶内偏析较大，塑性差，金属流动性差，造成挤压制品成材率低，特别是挤压制品表面性能差；一方面是5MN挤压机吨位较小，只能挤压挤压比较小的挤压制品，在挤压过程中产生的挤压变形力小，不能有效改善铝基氮化硼复合材料内部组织性能，从而使挤压制品成材率低。经过对试验过程进行分析，可以得出以下结论：

核燃料中子吸收板挤压生产时，锭坯加热到505℃开始从铝棒加热炉上料，挤压筒预热到490℃，挤压模具也预热到520℃，将挤压杆放入挤压筒中同挤压筒一起预热，挤压速度为1mm/s。

2.3 难变形铝基陶瓷增强材料核燃料中子吸收板温态轧制温度控制技术

主要通过对中子吸收板加热补温炉进行分区精准控制保证多通道板材的温度均匀性，通过板材智能快速转运技术，结合加热炉加热及温态轧制节奏，实现批量快节奏轧制，减少转运环节材料温度损耗，提高板材成品的综合性能；通过对轧机轧辊的分段精准温度控制调整轧辊辊型及带材局部温度，实现铝基陶瓷增强材料核燃料中子吸收板温态轧制温度工艺要求。

2.4 无张力轧制工况下中子吸收板轧制板形综合控制技术

分析无张力轧制工况下中子吸收板塑性轧制变形规律，综合考虑了材料对中、轧制线咬入角、轧辊横向偏心、辊缝倾斜、轧后铝基陶瓷增强材料板材温降应力释放等因素对综合板形的影响，研制开发难变形铝基陶瓷增强材料板材轧制板形综合控制技术，提高中子吸收板的产品性能。

3 应用效果

国内是近几年才开始对铝基陶瓷增强材料核燃料中子吸收板的生产技术进行研究，有不同的几个公司在采用粉末冶金+挤压+轧制的方法或者粉末冶金+等静压+轧制的方法研究核燃料中子吸收板的生产装置技术。本文所研发的挤压轧制生产线在2016年4月率先在国内采用粉末冶金+挤压+轧制的方法生产出了尺寸、成份均符合要求，经验证腐蚀性、力学性能、辐照性能均优于进口产品，用于海阳3#号机组燃料贮存格架的核燃料中子吸收板，成为国内首条拥有完全自主知识产权的核燃料中子吸收板生产线，该生产线已稳定运行多年，运行平稳可靠。

对核燃料中子吸收板挤压和轧制过程进行了理论分析，揭示核燃料中子吸收板挤压和轧制变形机理和变形规律，结合相关工艺试验，提出了核燃料中子吸收板挤压和轧制过程的工艺技术路线，在此基础研制了相关设备，实现了铝基陶瓷增强中子吸收板材的自主生产。生产的核燃料中子吸收板于在核电产品鉴定会上通过鉴定，生产的中子吸收板，达到国际先进水平，致密度、板材性能优于进口产品，直接应用于CAP系列核电站燃料贮存格架，还可推广应用到其他核电站和各类核设施。

4 小结

采用本文所述的铝基碳化硼核燃料中子吸收板制备关键技术能够生产高性能的中子吸收板，并已成功应用于国内重点核电站，针对这一制备技术，小结如下：①利用本文所述粉末冶金及挤压轧制铝基碳化硼核燃料中子吸收板制备工艺及关键技术，能够生产高性能的核燃料中子吸收板，其部分性能已经优于进口产品；②利用本文所述粉末冶金及挤压轧制铝基碳化硼核燃料中子吸收板制备工艺及关键技术，具备批量生产能力，但挤压和轧制过程的成材率以及生产效率还需进一步提高。