一种高硼不锈钢中子吸收材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高硼不锈钢中子吸收材料及其制备方法，属于中子吸收材料领域。该高硼不锈钢中子吸收材料的成分质量百分比为：B：0.2‑3%，Cr：12‑26%，Ni：1.5‑23%，C：0.02‑0.6%，Mn：1‑11%，Mo：0‑7%，Si：≤3%，P≤0.2%，S≤0.030其余为铁。制备方法包括：气雾化喷雾制粉、热等静压烧结、轧制。优点在于制备的高硼不锈钢致密度高，相对密度大于99.8%且组织均匀，材料室温抗拉强度大于500MPa、屈服强度大于200MPa、延伸率大于5%，本发明专利技术所制备的高硼不锈钢适用于核辐射防护屏蔽材料、乏燃料贮存材料和反应堆控制材料等，具有良好的经济效益和社会效益。

High boron stainless steel neutron absorbing material and preparation method thereof

The invention provides a high boron stainless steel neutron absorbing material and a preparation method thereof, belonging to the field of neutron absorbing materials. The high neutron absorption boron stainless steel ingredient mass percentage of the material is: B:0.2 Cr:12 3%, 26%, 23% C:0.02 0.6% Ni:1.5,, Mn:1 11%, Mo:0: 7%, Si = 3%, P = 0.2%, S = 0.030, the rest is iron. The preparation method comprises the following steps of: atomization spray pulverization, hot isostatic pressing sintering, rolling. Has the advantages of high boron stainless steel prepared by high density, relative density is greater than 99.8% and uniform microstructure and tensile strength of materials at room temperature is greater than 500MPa, the yield strength of more than 200MPa, the elongation rate is greater than 5%, the high boron stainless steel prepared for nuclear radiation shielding materials, spent fuel storage material and reactor control material. Has a good economic and social benefits.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于中子吸收材料领域，涉及一种高硼不锈钢中子吸收材料及其制备方法。
技术介绍
核电厂燃料贮存格架、燃料运输、转运、中子屏蔽等领域需要中子吸收材料，以避免中子向外辐射。常用的中子吸收材料有铅硼聚乙烯、含硼聚丙烯、镉板、碳化硼、铝基碳化硼和硼钢等，硼钢随着具有足够结构力学性能，和良好中子吸收能力。硼原子序数为5，原子量为10.811，有两种稳定的同位素：硼10和硼11，天然丰度分别为19.78%和80.22%；硼10对中子的吸收截面是天然丰度硼的5倍还多，是石墨的20多倍，是作为中子防护材料混凝土的500多倍。含硼不锈钢作为中子吸收材料，在核电、现代工业、军事装备及高端医疗等方面有着广泛的应用。硼在钢中的作用非常复杂，在钢中的溶解度极小，与各种晶体缺陷（如晶界、位错和空位等）有强烈的相互作用；它与钢中的其它元素如氧、氮、碳等能形成各种类型的夹杂物和析出相。因而，在不同状态的钢中，由于其经历冶炼、加工、热处理的状态不同，硼的分布及作用就不同。及时同样含硼量的钢中，由于硼分布状态的变化，实际对钢淬透性、韧性等起作用的硼量会完全不同。钢中加入微量的硼，能提高钢的淬透性。以硼为主要合金元素的合金钢一般称为高硼钢，其硼重量含量一般在0.2%-3%，硼含量越高，吸收热中子能力越强。一般硼在α-Fe和γ-Fe的最大溶解度分别为0.0081%和0.02%，超过固溶度的硼通常以硼相的形式沿晶界析出，呈网状沉淀分布，使钢的韧性下降，这种现象称为“硼脆”。钢中的硼含量越多，这种沉淀相的量就越多，沉淀相的数量、形状、大小和分布与钢的性能密切相关；如果分布在晶界，并呈连续分布时，使高硼钢的韧性严重恶化。一般情况下，高硼钢中的硼含量在0.5-1%时，为亚共晶组织，硼相为Fe2B，共晶组织沿晶界连续分布；硼含量为1.0-2.5%时Fe2B量增加，呈典型的枝晶组织；硼含量为2.5-4.0%时为共晶组织，硼化物为Fe2B或Fe2（C,B）。传统的铸造工艺下，高硼钢在凝固过程中很难避免晶粒组大以及连续网状共晶硼化物的形成。高硼不锈钢，含有铬、镍和钼等元素，可以提高硼在铁基合金中的固溶度，部分减少硼相的析出，然而硼在不锈钢中固溶度的增加也十分有限，也会出现粗大的硼相。热等静压工艺是先进材料加工及制备工艺，其原理为在高温高压下，材料的屈服强度下降，原子的迁移速度加快，可以加快粉末固结致密化速度，提高致密化程度；也可以消除材料的内部孔隙和缺陷，提高材料的性能。广泛应用于特种粉末烧结，例如高速钢、高温合金、钛合金、特种陶瓷等难于铸造和常压烧结的粉末；也应用于航空航天核电铸造件、锻轧件的消除内部缺陷和孔隙，提高性能等领域。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种高硼不锈钢合金及其制备方法，该方法采用气雾化-热等静压-热轧工艺制备，制备的符合材料致密度高，强度和韧性综合性能高，避免了传统铸造高硼不锈钢的在晶界偏聚，适合批量化生产。为了达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高硼不锈钢中子吸收材料制备方法，依次包括如下步骤：（1）不锈钢粉末的制备：将硼铁、铬铁、镍铁、锰铁等铁合金及纯铁按照要求配比进行气雾化，并过筛，得到60目-300目筛下的组织均匀的合金粉末；采用气雾化制备粉末原料，保证粉末纯度高、氧含量低、元素尤其是硼元素均匀分布在粉末颗粒没有偏析等现象；（2）热等静压成形步骤：将气雾化所得的合金粉末装入包套、抽气、密封，然后在一定温度和压力下进行热等静压烧结，得到具有高致密度的坯料，几乎没有微观缺陷；（3）轧制步骤：将上热等静压坯料去除包套后，进行热轧，得到板状材料。优选的是，高硼不锈钢中子吸收材料包括硼、镍、铬、锰、钼、硅、磷和硫元素，均以铁合金的形式加入。采用这样的制备方法，工艺流程短，能耗低。上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢中子吸收材料硼含量为B：0.2-3%。上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢中子吸收材料还包括Cr：12-26%，Ni：1.5-23%，C：0.02-0.6%，Mn：1-11%，Mo：0-7%，Si：≤3%，P≤0.2%，S≤0.030，其余为铁。上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢中子吸收材料包括B：2.1%，Cr：19%，Ni：14%，C：0.08%，Mn：2%，Si：0.75，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢中子吸收材料包括B：0.25%，Cr：15%，Ni：12%，C：0.20%，Mn：1.5%，Si：2.5%，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。上述任一方案优选的是，所述高硼不锈钢中子吸收材料包括B：0.6%，Cr：15%，Ni：12%，C：0.20%，Mn：1.5%，Si：2.5%，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。上述任一方案优选的是，所述铁合金包括B：1.5%，Cr：18%，Ni：15%，C：0.04%，Mn：1.0%，Mo：6%，Si：1.0%，P≤0.045%，S≤0.030，其余为铁。上述任一方案优选的是，将硼铁、铬铁、镍铁、锰铁及纯铁按照要求配比进行气雾化时，熔化温度高出熔点100-300℃，保护气体为氩气，喷雾压力为5-40MPa。示例性地，熔化温度高出熔点100℃、150℃、200℃、250℃，喷雾压力30MPa、25MPa、20MPa、10MPa。上述任一方案优选的是，得到的粒度在300-60目的粉末，在200-500℃抽真空后密封，将密封的所述包套进行热等静压处理，压力为80-150MPa，温度为900-1200℃，保温时间为1~4小时。保温时间更长，得到的坯料致密度更高，与碳化硅的界面结合更加充分。示例性地，得到的粒度分别为-200目、-150目、-100目、-80目的粉末，在450℃、350℃、300℃、250℃抽真空后封闭后，在100MPa、120MPa、140MPa-150MPa范围内进行热等静压致密化烧结，热等静压温度为950℃、1050℃、1100℃、1150℃，保温时间为1.5h、2.0h、2.5h、3.5h。抽真空时温度高于350℃以上，除气效率更高，残留气体更少。上述任一方案优选的是，热等静压成形坯料相对密度大于99.8%。上述任一方案优选的是，作为一种优选实施方案热轧温度为900-1150摄氏度，变形量在20-80%。示例性地热轧温度为950℃、1000℃、1050℃、1100℃，变形量为30%、50%、60%、80%。本专利技术同时提供一种高硼不锈钢中子吸收材料，其采用以上的高硼不锈钢中子吸收材料的制备方法制备得到。本专利技术与现有技术方案相比具有以下有益效果：（1）本专利技术所述一种高硼不锈钢及其制备方法，采用气雾化制备粉末原料，保证粉末纯度高、氧含量低、元素尤其是硼元素均匀分布在粉末颗粒没有偏析等现象。（2）本专利技术采用热等静压成形与烧结同时进行，工序简单，材质均匀，材料致密度高，相对密度达到99.8%以上，并且硼元素在晶粒内部分布均匀不易在晶界偏聚。综上所述，采用本专利技术制备的高硼不锈钢具有相对密度高、材质均匀、综合力学性能良好、良好的r射线及中子吸收性能等特点，可应用于核电厂燃料贮存格架、燃料运输、转运、中子屏蔽等领域，具有广泛的应用前景。附图说明图1是按照本专利技术的高硼不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高硼不锈钢中子吸收材料的制备方法，依次包括如下步骤：（1）不锈钢粉末的制备：将硼铁、铬铁、镍铁、锰铁及纯铁按照要求配比进行气雾化，并过筛，得到300‑60目筛下的组织均匀的合金粉末；（2）热等静压成形步骤：将气雾化所得的合金粉末装入包套、抽气、密封，然后在一定温度和压力下进行热等静压烧结，得到具有高致密度的坯料；（3）轧制步骤：将上热等静压坯料去除包套后，进行热轧，得到板状材料。

【技术特征摘要】
1.一种高硼不锈钢中子吸收材料的制备方法，依次包括如下步骤：（1）不锈钢粉末的制备：将硼铁、铬铁、镍铁、锰铁及纯铁按照要求配比进行气雾化，并过筛，得到300-60目筛下的组织均匀的合金粉末；（2）热等静压成形步骤：将气雾化所得的合金粉末装入包套、抽气、密封，然后在一定温度和压力下进行热等静压烧结，得到具有高致密度的坯料；（3）轧制步骤：将上热等静压坯料去除包套后，进行热轧，得到板状材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述高硼不锈钢中子吸收材料包括硼、镍、铬、锰、钼、硅、磷和硫元素，以铁合金的形式加入。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述高硼不锈钢中子吸收材料包括B：0.2-3%。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：Cr：12-26%，Ni：1.5-23%，C：0.02-0.6%，Mn：1-11%，Mo：0-7%，Si：≤3%，P≤0.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴燕斌，刘桂荣，王铁军，
申请(专利权)人：安泰核原新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13