一種核反應堆用碳化硼吸收體的多層燒結模具及燒結方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于特種材料制備技術領域，具體涉及一種核反應堆用碳化硼吸收體的多層燒結模具，該多層燒結模具中的每一層包括：多孔模具板(2)，其上有多個孔洞，每個孔洞內有配套的組合模具；下支撐板(3)；上蓋板(1)；所述組合模具包括：保護套(5)，其與所述孔洞的形狀相適配；和芯軸(7)，其置于所述保護套(5)內部，且其與所述保護套(5)之間限定出容納碳化硼粉末的環(huán)形腔室(8)；上壓頭(4)和下壓頭(6)；其分別位于所述環(huán)形腔室(8)的頂部和底部，并與所述環(huán)形腔室的形狀相適配。本發(fā)明還公開了利用該核反應堆用碳化硼吸收體的多層燒結模具的燒結方法。
【專利說明】
一種核反應堆用碳化硼吸收體的多層燒結模具及燒結方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種核反應堆用碳化硼吸收體的多層燒結模具及燒結方法，屬于特種材料制備技術領域。
【背景技術】
[0002]碳化硼分子式為B4C,是已知最堅硬的三種材料之一，它的摩氏硬度為9.3，僅次于金剛石和立方氮化硼的重要超硬材料。同時具有質量輕、耐磨損、耐腐蝕等性能，被用于坦克車的裝甲、避彈衣和很多工業(yè)應用品中。同時，碳化硼可以吸收大量的中子而不會形成任何放射性同位素，是反應堆中理想的中子吸收體，碳化硼在反應堆中主要是以棒狀的形式存在。
[0003]但是碳化硼結構中的共價鍵強，熔點達2450°C，是一種很難燒結的材料。目前碳化硼材料一般采用:熱壓燒結工藝、熱等靜壓工藝、助劑常壓燒結工藝、反應燒結工藝等。其中熱等靜壓燒結工藝無法生產較大尺寸產品、無法實現(xiàn)批量化生產，并且生產成本太高。助劑常壓燒結工藝因反應燒結工藝因引入其它化學成分，在反應堆中的應用還有待觀察。熱壓燒結法工藝因燒成溫度高，產品具有很好的機械性能和熱穩(wěn)定性，但是產量和產率相對低、磨加工余量大、周期長，成本相對較高；同時，當燒結件尺寸較大時，因壓力在壓頭軸向分布不均勻，導致燒結件中部的密度偏低，密度一致性差。

【發(fā)明內容】

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[0004]本發(fā)明的目的是提供一種核反應堆用碳化硼吸收體的多層燒結模具及燒結方法，該方法的原理是通過高溫、高壓強條件下對碳化硼吸收體的質量、體積和燒結條件均一性的精確控制，在燒結爐內實現(xiàn)多層燒結的一種方法。
[0005]本發(fā)明第一方面提供一種核反應堆用碳化硼吸收體的多層燒結模具，該多層燒結模具中的每一層包括:多孔模具板2，其上有多個孔洞，每個孔洞內有配套的組合模具;下支撐板3;上蓋板I;所述組合模具包括:保護套5，其與所述孔洞的形狀相適配;和芯軸7，其置于所述保護套5內部，且其與所述保護套5之間限定出容納碳化硼粉末的環(huán)形腔室8;上壓頭4和下壓頭6;其分別位于所述環(huán)形腔室8的頂部和底部，并與所述環(huán)形腔室的形狀相適配。
[0006]優(yōu)選地，所述多個孔洞為圓柱狀，所述保護套5為圓筒狀，所述芯軸7為圓柱狀。
[0007]優(yōu)選地，相鄰兩層中下層的上蓋板I與上層的下支撐板3合為一體。
[0008]本發(fā)明第二方面提供一種使用核反應堆用碳化硼吸收體的多層燒結模具的燒結方法，包含以下步驟:
[0009](I)將粒度為4?50μπι的碳化硼粉體加入到組合模具的環(huán)形腔室8中，將上壓頭4和下壓頭6組合到孔洞里，蓋上上蓋板I，組合好多層組合模具，然后放入燒結爐中；
[0010](2)在所述上蓋板I和所述下支撐板3之間施加機械壓力，使所述上蓋板I和下支撐板3之間的表面壓強在4?50Mpa;
[0011](3)將燒結爐內壓力抽真空至10pa以下，然后以3?40°C/min的升溫速率加熱至800 ?IlOOcC;
[0012](4)向燒結爐內充入氬氣至表壓_0.謹?&，繼續(xù)升溫至1200?1600°(:;
[0013](5)將燒結爐內壓力抽真空至10pa以下，升溫至1800 °C以上，保持0.5?6小時后，自然降溫至室溫，即得到所述的核反應堆用碳化硼吸收體。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015]1、本發(fā)明的多層燒結模具及燒結方法解決了因尺寸過大導致的密度不均勻問題，提高了燒結產品的質量，降低了機加工過程中因產品內部結構不一致導致的報廢風險；
[0016]2、本發(fā)明的燒結產品尺寸可控性好，大大降低了后繼加工的工作量；
[0017]3、本發(fā)明的多層燒結模具及燒結方法將多個小的吸收體拼接為大體積的吸收體，在不影響吸收體吸收中子性能的同時，降低了燒結和機加工導致的報廢率，提高了產品的成品率；
[0018]4、本發(fā)明的多層燒結方法充分利用了燒結爐內的等溫區(qū)，提高了燒結的生產效率，燒結產品碳化硼吸收體的密度和尺寸偏差小，成品率可以達到95%以上;生產周期也大幅縮短，具有良好的經濟效益。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的多層模具組合示意圖；
[0020]圖2為多孔模具板俯視圖孔洞中帶芯軸)。
[0021 ]附圖標記為:I一上蓋板，2—多孔模具版，3—下支撐板，4一上壓頭，5—保護套，6—下壓頭，7—芯軸，8—環(huán)形腔室。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明的目的是采用多層燒結的方法，通過對密度、體積的精確控制，制得單個吸收體的密度偏差和同爐產品的密度偏差均在I %以內，尺寸偏差在0.5%以內的碳化硼吸收體。產品的密度和尺寸均能得到精確控制，一致性好，適用于核反應堆用碳化硼吸收體的制備。
[0023]實施例1
[0024]組裝模具，每層模具由下支撐板、多孔模具板和上蓋板組成，模具的平行度小于
0.05mm;多孔模具板內含有100個孔洞，每個孔洞內裝組合模具，組合模具內孔的體積偏差小于0.5% ;組合模具各部件之間需預留0.1mm的間隙。選取粒度值D50在ΙΟμπι的核級碳化硼粉體，稱取質量偏差小于0.5 %的粉體，分別加入組合模具的孔洞中；將5層模具組合在一起，吊入熱壓燒結爐中。
[0025]燒結爐抽真空至10pa以下，以3°C/min的升溫速率加熱至1000度，充入高純氬氣至表壓-0.1Mpa，繼續(xù)升溫至1400度，抽真空，升溫至1800度維持0.5小時，自然降溫，出爐。燒結過程中的上蓋板和所述下支撐板之間施加機械壓力為4Mpa，制備得到密度為1.8土0.0lg/cm3的500塊核反應堆用碳化硼吸收體。
[0026]實施例2:
[0027]組裝模具，每層模具由下支撐板、多孔模具板和上蓋板組成，模具的平行度小于
0.05mm;多孔模具板內含有10個孔洞，每個孔洞內裝組合模具，組合模具內孔的體積偏差小于0.5%;組合模具各部件之間需預留4mm的間隙。選取粒度值D50在30μπι的核級碳化硼粉體，稱取質量偏差小于0.5%的粉體，分別加入組合模具的孔洞中；將3層模具組合在一起，吊入熱壓燒結爐中。
[0028]燒結爐抽真空至10pa以下，以10°C/min的升溫速率加熱至1000度，充入高純氬氣至表壓-0.1Mpa，繼續(xù)升溫至1400度，抽真空，升溫至2100度維持0.5小時，自然降溫，出爐。燒結過程中的上蓋板和所述下支撐板之間施加機械壓力為50Mpa，制備得到密度為2.2 土
0.02g/cm3的30塊核反應堆用吸收體。
[0029]實施例3:
[0030]組裝模具，每層模具由下支撐板、多孔模具板和上蓋板組成，模具的平行度小于
0.05mm;多孔模具板內含有3個孔洞，每個孔洞內裝組合模具，組合模具內孔的體積偏差小于0.5%;組合模具各部件之間需預留2mm的間隙。選取粒度值D50在50μπι的核級碳化硼粉體，稱取質量偏差小于0.5%的粉體，分別加入組合模具的孔洞中；將3層模具組合在一起，吊入熱壓燒結爐中。
[0031 ] 燒結爐抽真空至10pa以下，以40°C/min的升溫速率加熱至1000度，充入高純氬氣至表壓-0.1Mpa，繼續(xù)升溫至1400度，抽真空，升溫至1900度維持0.5小時，自然降溫，出爐。燒結過程中的上蓋板和所述下支撐板之間施加機械壓力為30Mpa，制備得到密度為2.0土
0.02g/cm3的9塊核反應堆用吸收體。
[0032]實施例4:
[0033]組裝模具，每層模具由下支撐板、多孔模具板和上蓋板組成，模具的平行度小于
0.05mm;多孔模具板內含有5個孔洞，每個孔洞內裝組合模具，組合模具內孔的體積偏差小于0.5%;組合模具各部件之間需預留Imm的間隙。選取粒度值D50在20μπι的核級碳化硼粉體，稱取質量偏差小于0.5%的粉體，分別加入組合模具的孔洞中；將4層模具組合在一起，吊入熱壓燒結爐中。
[0034]燒結爐抽真空至10pa以下，以40°C/min的升溫速率加熱至1000度，充入高純氬氣至表壓-0.1Mpa，繼續(xù)升溫至1400度，抽真空，升溫至2000度維持0.5小時，自然降溫，出爐。燒結過程中的上蓋板和所述下支撐板之間施加機械壓力為20Mpa，制備得到密度為2.1 土
0.02g/cm3的20塊核反應堆用吸收體。
【主權項】
1.一種核反應堆用碳化硼吸收體的多層燒結模具，該多層燒結模具中的每一層包括:多孔模具板(2)，其上有多個孔洞，每個孔洞內有配套的組合模具；下支撐板(3);上蓋板(I); 其特征在于，所述組合模具包括: 保護套(5)，其與所述孔洞的形狀相適配;和芯軸(7)，其置于所述保護套(5)內部，且其與所述保護套(5)之間限定出容納碳化硼粉末的環(huán)形腔室(8); 上壓頭(4)和下壓頭(6);其分別位于所述環(huán)形腔室(8)的頂部和底部，并與所述環(huán)形腔室的形狀相適配。2.根據(jù)權利要求1所述的多層燒結模具，其特征在于，所述多個孔洞為圓柱狀，所述保護套(5)為圓筒狀，所述芯軸(7)為圓柱狀。3.根據(jù)權利要求1所述的多層燒結模具，其特征在于，相鄰兩層中下層的上蓋板(I)與上層的下支撐板(3)合為一體。4.一種使用核反應堆用碳化硼吸收體的多層燒結模具的燒結方法，其特征在于，包含以下步驟: (1)將粒度為4?50μπι的碳化硼粉體加入到組合模具的環(huán)形腔室(8)中，將上壓頭(4)和下壓頭(6)組合到孔洞里，蓋上上蓋板(I)，組合好多層組合模具，然后放入燒結爐中； (2)在所述上蓋板(I)和所述下支撐板(3)之間施加機械壓力，使所述上蓋板(I)和下支撐板(3)之間的表面壓強在4?50Mpa; (3)將燒結爐內壓力抽真空至10pa以下，然后以3?40°C/min的升溫速率加熱至800?IlOO0C; (4)向燒結爐內充入氬氣至表壓為-0.1Mpa，繼續(xù)升溫至1200?1400 °C ； (5)將燒結爐內壓力抽真空至10pa以下，升溫至1800°C以上，保持0.5?6小時后，自然降溫至室溫，即得到所述的核反應堆用碳化硼吸收體。
【文檔編號】C04B35/645GK105904582SQ201610404262
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】黨杰, 陳鎮(zhèn), 王融修, 黎明, 張力生
【申請人】北京清能創(chuàng)新科技有限公司