Al-Si共晶合金B4C中子吸收材料制备与耐蚀性的研究

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Al-Si共晶合金具有中子吸收能力低,导热系数高,耐蚀性好等特点,是一种理想的中子吸收基体材料。Al-Si共晶合金加工工艺与耐蚀性,直接影响到该合金作为中子吸收基体材料使用寿命与成本,必须加以研究。本文首先研究了粉末锻造加工过程对B4C--Al-Si共晶合金弥散体物理性能及微观结构的影响;然后将制备出的块状试样在不同温度下置于不同pH值的弱酸(稀H2SO4)弱碱(稀NaOH)溶液中进行长时间腐蚀。从宏观失重、微观检测、热力学计算三个方面分析了不同温度、不同pH值及不同时间等条件下的腐蚀速度、类型和产物,研究了试样在25℃和80℃时的耐蚀性及腐蚀机理。研究结果表明:烧结工艺使Al-Si共晶合金粉末颗粒之间发生了局部熔化与冶金结合,呈现出网状结构连续体,其塑性大大提高,抗压强度达到292MPa,但其相对密度未发生明显变化,块体材料中存在较多的孔隙。冷锻工艺使颗粒发生塑性变形而相互啮合,颗粒之间的间距减小,孔隙缩小,从而使材料相对密度高达97%,抗压强度达到了356MPa。腐蚀温度和溶液pH值对B4C-Al-Si共晶合金弥散体试样的耐蚀性有较大影响,经过14天弱酸、弱碱溶液腐蚀后,各试样在稀NaOH溶液中的失重比在稀H2SO4溶液中更多,在稀H2SO4溶液中发生了轻微点蚀。25℃时单个试样的最高失重仅占试样原始重量的2‰,故没有出现明显的失重和腐蚀缺陷,年腐蚀深度全部小于0.1mm/a,即说明该材料完全达到耐蚀标准;80℃时由于更多的热能转化为分子的动能,反应速率随着分子热扩散的加剧而加快,单个试样的最高失重占试样原始重量的3‰,故失重现象较25℃时明显,除pH=9稀NaOH溶液腐蚀试样的年腐蚀深度达到0.121mm/a外,其余试样的年腐蚀深度都小于0.1mm/a,说明该材料基本达到耐蚀标准。微观检测和热力学计算结果表明:稀H2SO4腐蚀试样表面的Al2O3薄膜很薄且很致密,虽然Al2O3薄膜与稀H2SO4溶液在热力学上会发生反应,但存在动力学障碍,均匀腐蚀速率极慢,可以保护Al基体不被进一步腐蚀;稀NaOH腐蚀表面的Al2O3薄膜不如前者致密,氧含量也比前者少,表明Al2O3薄膜会与稀NaOH溶液发生反应,不能保护Al基体;Al基体还会与稀NaOH溶液发生电化学腐蚀,即该材料在稀NaOH溶液中会逐层溶解发生均匀腐蚀。由于我国大部分地区的大气环境潮湿偏弱酸性,B4C--Al-Si共晶合金弥散体在正常工作温度下具有良好的耐蚀性,可以成为核燃料中一种新的理想的中子吸收材料。
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