一种高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的成形方法

1.本发明涉及金属基复合材料技术领域，特别涉及一种高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的成形方法。


背景技术：

2.核电堆内构件长期承受高温、高压等恶劣环境，对材料性能要求高。此外，核电堆内各类有害射线，尤其是穿透力强、危害性大的中子和γ射线，需重点防护。因此，高效稳定的核电堆内构件材料应具有优异的综合力学性能和良好的复合屏蔽功能。金属基复合材料是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料，具有单一金属材料不具备综合力学性能。并且，通过增强相的定制，可以使其成为具有特定功能的核屏蔽材料。然而，核电堆内构件通常尺寸大、结构复杂，这也给金属基复合材料的成形方法带来了挑战。
3.目前，用于核屏蔽金属基复合材料的成形方法主要是传统铸造和粉末冶金工艺。铸造工艺虽然可以生产形状复杂的金属基复合材料构件，但构件通常存在组织不致密、晶粒不均匀和力学性能低下等问题，且一般需要经过后续的热锻和热轧工艺才能满足使用需求。粉末冶金工艺受制于模具形状和粉末的流动性差，很难成形出大体积、形状复杂的金属基复合材料构件。
4.因此，针对具有复合屏蔽功能的高性能核电堆内金属基复合材料大型构件的制造需求，亟需寻求更为先进的成形方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的成形方法，以解决现有技术中存在的问题。
6.为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种粉芯丝材，包括粉芯和不锈钢外皮。所述不锈钢外皮将粉芯包裹。所述粉芯为硼钨增强相颗粒。所述硼钨增强相颗粒包括如下组分：不锈钢粉末、含硼颗粒和含钨颗粒。所述含硼颗粒为硼颗粒、含硼合金颗粒或硼钨化合物颗粒中的一种或任意多种的组合。所述含钨颗粒为钨颗粒、钨合金颗粒或硼钨化合物颗粒中的一种或任意多种的组合。
7.进一步，所述粉芯丝材的直径为1.2mm～3.2mm。
8.进一步，所述粉芯丝材的粉芯填充率为2.8％～76.6％。
9.进一步，所述不锈钢外皮为奥氏体不锈钢管。
10.进一步，所述不锈钢外皮为奥氏体不锈钢条带。
11.本发明还公开一种上述粉芯丝材的制备方法，将粉芯装填到奥氏体不锈钢管中形成粉芯丝材初坯。对粉芯丝材初坯进行振动、拉拔和退火工艺，获得预定直径值的粉芯丝材。
12.本发明还公开一种上述粉芯丝材的制备方法，将奥氏体不锈钢条带压制形成槽型结构。将粉芯添加至槽型结构中。对槽型结构的槽口进行卷制合口操作，获得粉芯丝材初坯。对粉芯丝材初坯进行拉拔和减径，获得预定直径值的粉芯丝材。
13.本发明还公开一种高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件，该大型构件采用如上述的粉芯丝材为原材料，通过电弧增材制造工艺加工制得。
14.本发明还公开一种上述高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的成形方法，以电弧为热源对粉芯丝材进行加热。粉芯丝材逐层熔覆堆积在基板上形成核屏蔽大型构件。其中，所述基板为金属材料板材。
15.进一步，电弧增材制造工艺的具体工艺参数为：焊接电流：160～250a，焊接电压：24～30v，焊枪移速：7mm/s。
16.本发明的技术效果是毋庸置疑的：
17.a.通过同时引入硼元素和钨元素来实现中子吸收和γ射线屏蔽的功能，可以满足核电堆内构件的复合屏蔽功能需求；
18.b.利用硼钨增强相颗粒对奥氏体不锈钢基体的弥散强化效果，可以大幅提升硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的综合力学性能；
19.c.可以通过改变不锈钢管的内外径或不锈钢带的厚度、宽度来灵活调节硼钨增强相颗粒粉芯体积分数。并且可以通过球磨来实现任意比例硼钨增强相颗粒的混合，以满足实际工程应用中的不同屏蔽需求；
20.d.通过粉芯丝材将金属基复合材料成形和电弧增材制造技术相结合，可以实现硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的结构-功能一体化成形，具有成本低、效率高、成形尺寸不受限制的优点。
附图说明
21.图1为实施例4中粉芯丝材示意图；
22.图2为实施例5中粉芯丝材示意图；
23.图3为高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件方法流程图；
24.图4为实施例11基于gtaw电弧增材制造技术的高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的成形方法示意图；
25.图5为实施例11中b4c-wc-不锈钢复合材料核屏蔽大型核电堆内回路管道；
26.图6为实施例14中基于gmaw电弧增材制造技术的高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件成形方法示意图；
27.图7为实施例14中b-w-不锈钢复合材料核屏蔽稳压器卸压箱。
28.图中：基板1、核屏蔽大型构件2、不锈钢外皮3、粉芯4、旁路送丝机构6、gtaw电弧焊枪7、gmaw电弧焊枪70、粉芯丝材8。
具体实施方式
29.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
30.实施例1：
31.本实施例提供一种粉芯丝材。粉芯丝材8包括粉芯4和不锈钢外皮3。所述不锈钢外皮3将粉芯4包裹。所述粉芯4为硼钨增强相颗粒。所述硼钨增强相颗粒包括如下组分：不锈钢粉末、含硼颗粒和含钨颗粒。所述含硼颗粒为硼颗粒、含硼合金颗粒或硼钨化合物颗粒中的一种或任意多种的组合。所述含钨颗粒为钨颗粒、钨合金颗粒或硼钨化合物颗粒中的一种或任意多种的组合。
32.实施例2：
33.本实施例主要内容同实施例1，其中，粉芯包括如下质量份组分：2～5质量份b4c颗粒、50～55质量份wc颗粒、2～5质量份镍粉、1～3质量份铌粉以及1～3质量份硅铁粉，余量为不锈钢粉末和不可避免的杂质。
34.实施例3：
35.本实施例主要内容同实施例1或2，其中，所述粉芯丝材的直径为1.2mm～3.2mm。所述粉芯丝材的粉芯填充率为2.8％～76.6％。硼钨增强相颗粒填充率可通过调整丝材直径进行调整。
36.实施例4：
37.本实施例主要内容同实施例1、2或3中的任意一项，其中，参见图1，所述不锈钢外皮3为奥氏体不锈钢管。本实施例还提供粉芯丝材的制备方法，将粉芯4装填到奥氏体不锈钢管中形成粉芯丝材初坯。对粉芯丝材初坯进行振动、拉拔和退火工艺，获得预定直径值的粉芯丝材8。
38.实施例5：
39.本实施例主要内容同实施例1、2或3中的任意一项，其中，参见图2，所述不锈钢外皮3为奥氏体不锈钢条带。本实施例还提供粉芯丝材的制备方法，将奥氏体不锈钢条带压制形成槽型结构。将粉芯4添加至槽型结构中。对槽型结构的槽口进行卷制合口操作，获得粉芯丝材初坯。对粉芯丝材初坯进行拉拔和减径，获得预定直径值的粉芯丝材8。
40.实施例6：
41.本实施例提供一种高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件，核屏蔽大型构件2采用如权利要求1～5中任意一项所述的粉芯丝材为原材料，通过电弧增材制造工艺加工制得。
42.实施例7：
43.本实施例提供一种实施例6所述高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的成形方法，以电弧为热源对粉芯丝材8进行加热。粉芯丝材8逐层熔覆堆积在基板1上形成核屏蔽大型构件2。其中，所述基板为金属材料板材。
44.本实施例将硼元素的中子吸收功能和钨元素的γ射线屏蔽功能相结合，同时利用硼、钨增强相颗粒对不锈钢基体的增强效果，基于粉芯丝材电弧增材制造技术，实现同时具有良好复合屏蔽功能和力学性能的硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的结构-功能一体化成形，具有成本低、效率高、成分灵活可控以及成形尺寸不受限制的优点。
45.实施例8：
46.本实施例主要内容同实施例7，其中，电弧增材制造工艺的具体工艺参数为：焊接电流：160～250a，焊接电压：24～30v，焊枪移速：7mm/s。
47.实施例9：
48.本实施例主要内容同实施例7或8，其中，电弧增材制造工艺采用的电弧增材制造装置为基于熔化极的气体保护焊接装置(gmaw)、基于非熔化极的钨极气体保护焊接装置(gtaw)或基于非熔化极的等离子体气体保护焊接装置(paw)。所述电弧增材制造装置包括用于熔化金属丝材的电弧焊枪、用于控制焊枪移动的工业机器人和用于调节电弧增材制造工艺参数的控制系统。
49.实施例10：
50.参见图1，本实施例主要内容同实施例7～9中任意一项，其中，高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的成形方法具体包括以下步骤：
51.s10)按照实际工程需求，设计好硼钨增强相颗粒的混合比例，然后通过球磨工艺将其均匀混合，随后放置到真空烘干炉中进行烘干处理。
52.s20)确定硼钨增强相颗粒粉芯的填充比例，然后选用适当的制丝工艺将混合好的硼钨增强相颗粒填充到不锈钢外皮3中制备硼-钨-不锈钢复合材料粉芯丝材8。
53.s30)根据所打印硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的形状，将其3d数字模型输入控制系统并规划相应的打印路径。
54.s40)选择合适电弧增材制造工艺(gmaw、gtaw、paw)并在在此基础上设定打印参数。其中，打印参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度和气体流量等。
55.s50)将基板1固定到工作台上，按照设定的打印路径和打印参数通过电弧熔化粉芯丝材8并逐层沉积成形硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件2。
56.实施例11：
57.参见图4和图5，本实施例主要内容同实施例7～10中任意一项，其中，本实施例中核屏蔽大型构件2为核屏蔽大型核电堆内回路管道。电弧增材制造装置包括gtaw电弧焊枪7、旁路送丝机构6、控制焊枪移动的工业机器人和调节电弧增材制造工艺参数的控制系统。将粉芯丝材8装填到旁路送丝机构6中，根据所打印构件的形状设定工业机器人的移动路径、焊接速度、起弧、熄弧等命令。
58.实施例12：
59.本实施例主要内容同实施例11，其中，所述基板1为锻态并经过退火处理的316l不锈钢板材，其尺寸为200mm
×
200mm
×
10mm，基板使用前需经过打磨清洗去除其表面氧化层。
60.实施例13：
61.本实施例主要内容同实施例11或12，其中，将等比例均匀混合的球形b4c和wc陶瓷颗粒添加然后装填到一定内外径的316l不锈钢管中，之后交替通过振动、拉拔、退火等工艺直至制备直径为1.6mm、填充率为30％的b4c-wc-不锈钢粉芯丝材。所述振动是为了促进粉末在金属管中的密实化，拉拔是为了使金属管减径至预定值，退火是为了降低金属管的加工硬化，提高拉伸韧性，防止开裂。所述wc和b4c陶瓷颗粒的直径为75-150μm，为保证b4c和wc陶瓷颗粒的均匀混和，填充前需将二者通过球磨机进行球磨混合，球磨时间为8h，温度为25℃。球磨后将混合的b4c和wc陶瓷颗粒放入到真空烘干炉中进行烘干，烘干时间为2h，温度为120℃。其目的是去除陶瓷颗粒表面水分，避免其发生团聚并影响填充过程。所添加的b4c和wc陶瓷颗粒分别具有良好的中子吸收和γ射屏蔽功能，并且未熔化的b4c和wc陶瓷颗粒可以有效起到弥散强化和异质形核的作用，大幅提升316l不锈钢基体的综合力学性能。
通过粉芯丝材将金属基复合材料成形和电弧增材制造技术相结合，实现了高性能b4c-wc-不锈钢复合材料核屏蔽大型核电堆内回路管道的结构-功能一体化成形。
62.实施例14：
63.参见图6和图7，本实施例主要内容同实施例7～10中任意一项，其中，本实施例中核屏蔽大型构件2为核屏蔽稳压器卸压箱。电弧增材制造装置包括熔化金属丝材的gmaw电弧焊枪70、控制焊枪移动的工业机器人和调节电弧增材制造工艺参数的控制系统。
64.将粉芯丝材8装填到gmaw电弧焊枪70的送丝机构中，将核屏蔽大型构件23d数字模型输入控制系统并规划相应的打印路径、焊接速度、起弧、熄弧等命令。
65.实施例15：
66.本实施例主要内容同实施例14，其中，将尺寸为50-150μm的纯硼和纯钨颗粒按体积分数1比3的比例，通过球磨工艺进行均匀混合，球磨时间为8h，温度为25℃。为去除颗粒表面水分，避免其发生团聚并影响填充过程，需将混合后的wc和b4c陶瓷颗粒放入到真空烘干炉中进行烘干，烘干时间为2h，温度为120℃。将一定厚度和宽度的316l不锈钢带轧制成即将封口的断面形状，再将均匀混合并烘干处理的纯硼和纯钨颗粒添加到即将封口的不锈钢带中，然后将不锈钢条带合口，经过拉丝模，逐道拉拔、减径，使丝材直径达到预定值，直至制备直径为1.4mm、填充率为25％的b-w-不锈钢粉芯丝材。
67.在本实施例中，所添加的纯硼和纯钨颗粒会在电弧的高温下完全熔化。其中，一部分硼钨元素会以固溶元素的形式熔入316l基体起到固溶强化的作用，另一部分硼钨元素则会与316l熔体原位反应生成碳化硼、碳化钨、硼化钨等二次相颗粒起到沉淀强化的作用。此外，通过gmaw电弧增材制造技术可以实现高性能的b-w-不锈钢复合材料核屏蔽稳压器卸压箱的低成本、高效和一体化成形。

技术特征：
1.一种粉芯丝材，其特征在于：粉芯丝材(8)包括粉芯(4)和不锈钢外皮(3)；所述不锈钢外皮(3)将粉芯(4)包裹；所述粉芯(4)为硼钨增强相颗粒；所述硼钨增强相颗粒包括如下组分：不锈钢粉末、含硼颗粒和含钨颗粒。所述含硼颗粒为硼颗粒、含硼合金颗粒或硼钨化合物颗粒中的一种或任意多种的组合；所述含钨颗粒为钨颗粒、钨合金颗粒或硼钨化合物颗粒中的一种或任意多种的组合。2.根据权利要求1所述的一种粉芯丝材，其特征在于：所述粉芯丝材(8)的直径为1.2mm～3.2mm。3.根据权利要求1所述的一种粉芯丝材，其特征在于：所述粉芯丝材(8)的粉芯填充率为2.8％～76.6％。4.根据权利要求1～3中任意一种所述的一种粉芯丝材，其特征在于：所述不锈钢外皮(3)为奥氏体不锈钢管。5.根据权利要求1～3中任意一种所述的一种粉芯丝材，其特征在于：所述不锈钢外皮(3)为奥氏体不锈钢条带。6.一种根据权利要求4所述的粉芯丝材的制备方法，其特征在于：将粉芯(4)装填到奥氏体不锈钢管中形成粉芯丝材初坯；对粉芯丝材初坯进行振动、拉拔和退火工艺，获得预定直径值的粉芯丝材(8)。7.一种根据权利要求5所述的粉芯丝材的制备方法，其特征在于：将奥氏体不锈钢条带压制形成槽型结构；将粉芯(4)添加至槽型结构中；对槽型结构的槽口进行卷制合口操作，获得粉芯丝材初坯；对粉芯丝材初坯进行拉拔和减径，获得预定直径值的粉芯丝材(8)。8.一种高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件，其特征在于：核屏蔽大型构件(2)采用如权利要求1～5中任意一项所述的粉芯丝材(8)为原材料，通过电弧增材制造工艺加工制得。9.一种根据权利要求8所述高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的成形方法，其特征在于：以电弧为热源对粉芯丝材(8)进行加热；粉芯丝材(8)逐层熔覆堆积在基板(1)上形成核屏蔽大型构件(2)；其中，所述基板(1)为金属材料板材。10.根据权利要求9所述的一种高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的成形方法，其特征在于，电弧增材制造工艺的具体工艺参数为：焊接电流20～250a，焊接电压5～15v，送丝速度1.0～9.0m/min，保护气流量15l/min。

技术总结
发明提供一种高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的成形方法。粉芯丝材包括粉芯和不锈钢外皮。所述不锈钢外皮将粉芯包裹。所述粉芯为硼钨增强相颗粒。所述硼钨增强相颗粒包括如下组分：不锈钢粉末、含硼颗粒和含钨颗粒。所述含钨颗粒为钨颗粒、钨合金颗粒或硼钨化合物颗粒中的一种或任意多种的组合。高性能硼-钨-不锈钢复合材料核屏蔽大型构件的成形方法，以电弧为热源对粉芯丝材进行加热。粉芯丝材逐层熔覆堆积在基板上形成核屏蔽大型构件。所述基板为金属材料板材。该方法通过同时引入硼元素和钨元素来实现中子吸收和γ射线屏蔽的功能，可以满足核电堆内构件的复合屏蔽功能需求。蔽功能需求。蔽功能需求。


技术研发人员：伊浩 张文军 曹华军 贾乐
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/8