【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于金屬材料及輻射防護，具體涉及一種熱中子屏蔽鋼的制備方法。
技術介紹
1、核能作為一種具有高效能、清潔環保特性的能源形式，被廣泛應用于軍工、能源、醫療等多個領域，并成為各國在應對能源需求與環境挑戰時的關鍵抉擇。然而，隨著我國核工業的迅速發展，對高性能乏燃料貯存和運輸所需中子屏蔽材料的綜合性能提出更高要求。當前的熱中子屏蔽材料通常是將聚乙烯、聚氨酯等聚合物與中子屏蔽物質混合而制成。這種屏蔽材料的生產工序復雜繁瑣，熔點相對較低，大約在0℃以下，會變得硬而脆，缺乏抗沖擊和抗振動的能力。此外，通過粉末冶金等方法向復合材料中引入b4c陶瓷顆粒，使其獲得較高熱中子吸收截面。然而，這種工藝生產成本較高，屏蔽效果不理想，且b4c顆粒的尺寸大小及分布狀態對復合材料的力學性能和界面結合產生一定影響，不能滿足輻射防護
實際應用需求。故需要開發新穎的制備方法來滿足當前市場需求。
技術實現思路
1、針對現有技術中的問題，本專利技術提供一種熱中子屏蔽鋼的制備方法。
2、本專利技術的技術方案是：
3、一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，包括以下步驟：
4、步驟（1）采用雙真空艙封閉結構裝置實現負壓環境噴射：所述雙真空艙結構裝置分為熔煉艙、中間包艙和噴射沉積艙，中間包倉連接熔煉艙和噴射沉積艙，通過澆注插板閥實現連通和隔離；熔煉艙設置熔煉鋼包，可升降的中間包在艙外預熱到溫后放入中間包倉內；熔煉艙連通高真空泵組，熔煉艙真空度≤5×10-2pa；噴射沉積艙單獨設置高抽速真空
5、步驟（2）通過熔煉艙進行真空中頻感應熔煉304基體合金，其中304基體合金成分為：cr17.0~20%，ni10.0~16.0%，mn1.0~2.5%，b0.1~0.5%，ti?0.1~0.5%，c＜0.04%，n≤10ppm，其余為fe；熔煉量為1~10t；
6、步驟（3）步驟（2）熔煉后的304不銹鋼合金溶液控制過熱度為+40~80℃，關閉中間包艙密封門，由熔煉鋼包進行底吹氬脫渣脫氣處理，打開控制閥a，關閉澆注插板，然后打開熔煉艙和噴射沉積艙的澆注插板閥，啟動高抽速真空泵組，中間包下降到距離沉積坯400~800mm.，熔煉鋼包通過底部滑板水口控制流量并將304不銹鋼合金溶液注入中間包100~180mm穩定液位，中間包預熱溫度≥1200℃；
7、步驟（4）b4c顆粒表面改性：將b4c顆粒在液氬中與304不銹鋼、fe或al粉末球磨混均，b4c顆粒質量分數95%以上，磨球材質為超s280不銹鋼；其中，b4c粒徑為2μm以下，金屬粉末粒徑為20~30μm，球磨時間24小時以上，球磨轉速為280~320r/min，促進b4c顆粒表面附著金屬粉末，促進b4c顆粒和304不銹鋼合金溶液的充分潤濕，其中顆粒提供凝固傳熱比例為35%以上；
8、步驟（5）經步驟（4）表面改性后的b4c顆粒在氣固兩相流混均預熱裝置中與惰性氣體ar混合均勻并預熱后形成氣固兩相流，并分兩路由兩相流管道進入噴射機構（11），304不銹鋼合金溶液通過噴射機構噴出，惰性氣體ar將b4c顆粒通過兩相流管道吹入噴射中的合金溶液之中，兩者匯聚，沉積在沉積坯上
9、步驟（6）氣固兩相流將噴射機構的兩個澆口錠流出的304不銹鋼合金溶液在噴射沉積艙內充分驅散為均勻液滴，于沉積盤完成沉積坯噴射；
10、步驟（7）噴射結束后，錠坯頂部溫度控制≤1350℃、錠坯底部溫度控制≤1250℃，取出錠坯后送入1180℃鍛造保溫爐均溫2h，然后鍛造為方坯進行熱軋，終軋厚度為3.0~12mm，坯料塑性良好，鍛造和熱軋無邊裂產生。
11、進一步的，上述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，噴射沉積艙內凝固端面上統計氣孔個數≤5個/10mm2，且孔徑≤1μm，經步驟（7）鍛造后氣孔全部壓合。
12、進一步的，上述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，采用氣固兩相流驅動液相，并且固相作為冷卻劑、中子吸附功能相和強化相同時存在，經步驟（7）熱軋后，熱軋板基體中b4c質量分數為3%以上，b4c顆粒尺寸控制800~1200nm，均勻分布在基體上，無晶界偏聚現象，基體屈服強度350mpa以上，抗拉強度700mpa以上，室溫延伸率25%以上。
13、進一步的，上述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，步驟（5）表面改性后的b4c顆粒的預熱溫度為≥600℃，500~1200nm粒徑b4c陶瓷顆粒送粉量為300~1250g/min。
14、進一步的，上述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，步驟（1）中，中間包下沿水平布置兩個水口，水口直徑為φ4~10mm，單嘴流量20~60kg/min，噴嘴出口流速1.0~1.8m/min，水口位置正對沉積坯半徑1/3和2/3位置，外側噴嘴孔徑面積較之內側孔徑大20%。
15、進一步的，上述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，步驟（5）中噴射機構的噴射沉積環開孔數量為12~20個，孔徑為4~8mm，焦距法面以下60~80mm；噴射沉積環為耐熱不銹鋼材質，內表面鍍硬質鉻，hrc52以上；噴射沉積環傾角為-30~+30°，掃描頻率為0~2hz；氣體噴射壓力為0.4~0.7mpa，單個噴射沉積環噴氣量為15~45m3/min，顆粒載入量500~2500g/min。
16、進一步的，上述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，步驟（6）噴射沉積過程中，沉積盤距離噴射沉積環下端控制距離為200~450mm，沉積坯直徑為400~600mm，沉積盤旋轉速度為40~80r/min，下降速度為50~120mm/min，控制表面熔池深度為1~2mm。
17、本專利技術的優點及有益效果：
18、（1）本專利技術將氣固兩相流動力學原理及真空噴射沉積技術相結合，提出一種熱中子屏蔽鋼材料制備方法。該方法利用負壓環境下的氣固兩相流驅動機制，實現b4c/304不銹鋼復合材料的高效噴射成形。在這一過程中，b4c陶瓷顆粒被均勻分散并嵌入304不銹鋼基體，得益于氣固兩相流的強大驅動力，b4c顆粒與基體之間形成了牢固的界面結合。這一獨特的過程不僅促進了合金的快速凝固，還顯著提升了材料的力學性能、耐腐蝕性和耐高溫性能，確保其在面對高輻射環境時，依然能夠保持卓越的屏蔽效能和穩定性。
19、（2）由于真空環境下的沉積過程減少了材料氧化和污染，降低了后續處理成本。該工藝結合氣體霧化與固相介質顆粒，形成氣固兩相混合流，大幅提升霧化效率，細化粉末粒徑，優化增強相分布，為高性能熱中子屏蔽鋼復合材料制備開辟新途徑。這對于我國核工業、軍工、航空航天等領域的高性能材料需求具有重要意義。
20、（3）本專利技術采用自行設計的真空腔體結構，成功在≤5000pa（≤0.05?bar）的負壓環境下進行噴射沉積。通過b4c顆粒充當冷卻介質，提高混合介質吸熱能力，降低氣流輸入量和流速，微熔池中氣泡在負壓下快速排出，凝固縮孔和疏松大部分消除。剩余部分也是負壓真空氣泡，便于鍛造或者擠壓壓本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，其特征在于，噴射沉積艙內凝固端面上統計氣孔個數≤5個/10mm2，且孔徑≤1μm，經步驟（7）鍛造后氣孔全部壓合。
3.根據權利1所述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，其特征在于，經步驟（7）熱軋后，熱軋板基體中B4C質量分數為3%以上，B4C顆粒尺寸控制800~1200nm，均勻分布在基體上，無晶界偏聚現象。
4.根據權利1所述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，其特征在于，步驟（5）表面改性后的B4C顆粒的預熱溫度為≥600℃，500~1200nm粒徑B4C陶瓷顆粒送粉量為300~1250g/min。
5.根據權利1所述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，其特征在于，步驟（1）中，中間包下沿水平布置兩個水口，水口直徑為φ4~10mm，單嘴流量20~60kg/min，噴嘴出口流速1.0~1.8m/min，水口位置正對沉積坯半徑1/3和2/3位置，外側噴嘴孔徑面積較之內側孔徑大20%。
6.根據權利1所述的一種熱中子屏蔽鋼的制
7.根據權利1所述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，其特征在于，步驟（6）噴射沉積過程中，沉積盤距離噴射沉積環下端控制距離為200~450mm，沉積坯直徑為400~600mm，沉積盤旋轉速度為40~80r/min，下降速度為50~120mm/min，控制表面熔池深度為1~2mm。
...【技術特征摘要】
1.一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，其特征在于，噴射沉積艙內凝固端面上統計氣孔個數≤5個/10mm2，且孔徑≤1μm，經步驟（7）鍛造后氣孔全部壓合。
3.根據權利1所述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，其特征在于，經步驟（7）熱軋后，熱軋板基體中b4c質量分數為3%以上，b4c顆粒尺寸控制800~1200nm，均勻分布在基體上，無晶界偏聚現象。
4.根據權利1所述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，其特征在于，步驟（5）表面改性后的b4c顆粒的預熱溫度為≥600℃，500~1200nm粒徑b4c陶瓷顆粒送粉量為300~1250g/min。
5.根據權利1所述的一種熱中子屏蔽鋼的制備方法，其特征在于，步驟（1）中，中間包下沿水平布置兩個水口，水口直徑為φ4~10mm，單嘴流量20~60kg/min，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王建斌，張元祥，王洋，方烽，李成剛，李振壘，王國棟，
申請(專利權)人：東北大學，
類型：發明
國別省市：
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