B_4C粒度对粉末冶金法制备的B_4CAl腐蚀行为的影响.pdf

第 3 3卷第 2期 2 0 1 5年 4月 粉 末 冶金 技术 Po wde r M e t a l l ur g y Te c hnol og y Vo I - 33．No ．2 Ap r ． 201 5 B 4 C粒度对粉末冶金法制备 的 B 4 C ／ A 1 腐蚀行为的影响 杜 沛南 尹 昌耕 王 美玲 刘云明 李传锋 中国核 动力研究设计院 ， 反应堆燃料及材料重点试 验室 ， 四川 成都 6 1 0 0 4 1 摘 要 在 9 O℃ 、 2 5 0 0 g ／ g和 2 5 0 0 0 g ／ g的硼酸溶 液中对 3种粒 度区间 B C ／ A I 样品进行 了 5 0天的均 匀 腐蚀试验 。对腐蚀试样 进行 了增重和形貌研究 。结果 表明 样 品腐 蚀程度 与颗粒粒 度相关 ， 粗颗粒样 品腐 蚀 程度最大 ， 细颗粒 、 中细颗粒样品腐蚀程度无 明显差别 ； 表 面缺 陷处 优先腐蚀 ， 随时间增 加形成腐蚀坑 ； 腐蚀 产物为 A 1 0 O H 与 A 1 O H ， ； 致密 的 A l O H ，晶体结构可 以起 到减缓腐蚀的作用 。 关键词 B C粒度 ； 均 匀腐 蚀 ； 腐蚀 坑 ； A I O O H ； A 1 O H 3 Ef f e c t o f B4 C p a r t i c l e s i z e o n t he c o r r o s i o n be ha v i o r o f B4 C／ A m a d e by p o wde r m e t a l l u r g y Du Pe i nan， Yi n Ch ang g e ng， W ang M e i l i ng， Li u Yunm i ng， Li Chu anng Nu c l e a r P o we r I n s t i t u t e o f C h i n a ， Na t i o n a l Ke y L a b o r a t o r y f o r Nu c l e a r F u e l a n d Ma t e r i a l s C h e n g d u 6 1 0 0 4 1 ， S i c h u a n， C h i n a 随着 国 民经济 13益发 展和 环境 保护 的呼声 愈发 高 涨 ， 对清 洁 的可替 代 能源 提 出 了更高 的需 求 ， 在 此 背 景 下核 电跨 入 了一 个 新 的发 展 期 ⋯ ， 而 随 之而 来 的是核电站每年产 生大量高放 射性乏燃 料 。为 保 证 乏燃 料贮 存 的 安 全 性 和经 济性 ， 通 常采 取 的措 施是在贮存水池或干式贮存设备中使用中子吸收材 料 。其中 B C ／ A 1 颗粒增强金属基复合材料作 为 一 种 新 型 的中子 吸 收 材 料 ， 具 有 优 越 的 中子 吸 收性 能、 耐腐蚀性能和力学性能， 在国外 已广泛应用于乏 燃料 的贮存和运输 。 目前 国 内对 粉末冶金法 制 备 的 B C ／ A 1 的抗 腐蚀 性 能研究 较少 ， 李 刚等 研 究了 B C ／ A 1 在 硼酸溶液 中均匀腐蚀试样 ， 缝 隙腐 蚀试 样 及 电偶 腐 蚀 试 样 的 耐蚀 性 能 ， 石 建 敏 等 研究 了温度 、 硼酸浓度对 B C ／ A 1 腐蚀行为 的影响 ， 均未 涉及 B C粒 度 对 腐 蚀 行 为 的 影 响 。 而在 粉 末 冶金 工 艺条 件下 ， 粉 末 粒 度 分 布 将 影 响最 终 样 品组 织结 构 及性 能 。本 文模 拟 了 B C ／ A 1 中子 吸 收材 料在乏燃料水池 中均匀腐蚀过程并研 究了 B C粒 度对腐蚀行为的影响 ， 有助 于加速核电关 键材料 的 国有 化进 程 。 }杜沛南 1 9 8 9一 ， 男 ， 硕士 ， 研究实 习员 。E m a i l d u p e i n a n 1 2 6 ． c o rn 收 稿 日期 2 0 1 41 02 2 坶町 h ～ 峥 瑚 ． ～ “ 肿 g p a -呈 一 如 m ． ． f I 一 f e ．．“ ． ； ㈨ 耋 ～ 一 一 ～ 一 一 一 _l ．c 一 m ～ ～ 州 。- 一 一 呲 m ∞ 吣 _}2 {呈 一 一 一 ～ ～ 一 一 一 一 一 ．吣 m ．量 ； 薹 M 3； 0 ～ ～ 蓦 山 岵 Ⅲ 一 ～ 一 一 ～ 一 一 一 ．一 m 帅 ～ 一 一 一 ～ 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 8 粉末 冶金技术 2 0 1 5年 4月 1 试 验 1 ． 1 B C ／ A 腐蚀试 样 制备 试 验 原 材 料 为 市 售 的 B C粉 、6 0 6 1 A 1 粉 。 所 用化 学用 品 为 硼 酸 分析 纯 、 丙 酮 分 析 纯 、 去 离 子水 等 。 通过 2 0 0目、 3 2 5目标准筛筛分优选、 粒度分析 后得 到 实际粒 度 区间 为小 于 3 0 ix m、 1 0 m ～ 7 4 m 和 大 于 6 5 m 的 3种 粒度 分 布 的 B C粉 ， 命 名为 细 粉 、 中细粉 、 粗 粉 ； 采用 行 星式 混料 机将 B C粉 与 A l 粉 混合 均匀 ； 将混 合 粉倒 入 成 型 钢 模 内 采用 四柱 液 压 机压 制 出 B C ／ A 1 芯 块 ； 再 用 二 辊 不 可 逆 冷 热 轧 机将所制 的芯块 轧制成 3 m m厚小板 ； 最终制得三 种 不 同 粒 度 分 布 的 B C ／ A 1 试 验 小 板 。将 B C ／ A 1 试 验小 板线 切 割 成 3 0 mm 3 0 mm 3 m m 的 矩 形 小 块 ， 三种粒 度 区间样 品各择 优选 取 3 块 小样 ， 其 中 粗颗粒样 品编号为 c 1 、 c 2 、 c 3 ， 中细颗粒样品编号 为 z 1 、 z 2 、 z 3 ， 细颗粒样 品编号为 X I 、 X 2 、 X 3 。采用 砂 纸抛 光 和丙酮 清 洗 、 去 离 子水 清 洗 后 得 到所 需 样 品 。抛 光样 品表 面存在 01 0 0 m 的微 小坑 洞 ， 这 主要是 由于 在 抛 光 过 程 中 B c颗 粒 脱 落 导 致 。粉 末冶金法制备 B 。 C ／ A 1 试样的工艺流程如图 1 所示。 1 ． 2方法及 表征 第一阶段腐蚀 9 O。 C恒温水浴 ， 所有样 品放人 2 5 0 0 g ／ g 硼酸溶液中进行 3 0 d的均匀腐蚀。取出 图 1 B 4 C ／ A 1 试样 制备工艺流程 Fi g ．1 F l o w c ha r t o f t h e B4 C／A1 s a mpl e s p r e p a r a t i o n 采 用 电子天 平进 行称 重 。 第二阶段腐蚀 9 0℃恒温水浴 ， x l 、 z 1 、 C 1 放人 2 5 0 0 g ／ g的硼酸溶 液 中 ， X 2 、 X 3 、 Z 2 、 Z 3 、 C 2、 C 3放 入 2 5 0 0 0 I x g ／ g的硼酸溶液 中进行 2 0 d的均匀 腐 蚀 。取 出 采 用 电 子 天 平 进 行 称 重 ； 采 用L e i c a Me F 3 A金相显微镜 进行金相分析 ； 采用 N o v a N a n o S E M 4 0 0型场发射扫描电镜进行 S E M分析 、 E D S点 扫描 。 2结果与讨论 2 ． 1 增重情 况对 比 腐蚀程度用试样腐蚀前后质量的变化百分数来 表示 。样品腐蚀程度如表 1 所示。 表 1 样品腐蚀程度 Ta b l e 1 The c o r r o s i o n de g r e e o f s a mp l e s 试验表明 所有样品在 尺寸方面都没有明显变 化 ， 表现出了较好 的耐腐蚀性。图 2为宏观的腐蚀 样 品形 貌 。可 以看 出 其 中 较 细 颗 粒 B C制 备 样 品 X1 、 X 2 、 X 3 、 Z 1 、 Z 2和 z 3表 面情 况 良好 ， 而粗颗粒 B c粉制备样品 c 1 、 c 2 、 c 3表面肉眼能明显看出有 腐蚀产物存在。 从表 1计算 出中粗颗粒平均腐蚀增重程度 为 0 ． 3 7 4 9 6 ％ ； 中细颗粒 平 均腐 蚀 程 度 为 0 ． 0 8 2 2 0 ％ ； 细颗粒平均腐蚀程度为 0 ． 0 8 0 3 1 ％。中细颗粒和细 颗粒 在第 一 阶段 和第二 阶段腐 蚀 中 ， 腐 蚀程 度差 距 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 3 2 粉末冶金技术 2 0 1 5年 4月 表面 B 4 C颗粒脱落 的概率越高， 会在腐蚀前就 已经 存在微坑。微坑处易露出基体铝 ， 使其呈活性状态 ， 而氧化膜是钝态的 ， 这样就形成 了活性一钝性腐蚀 电池 ， 由于微坑 的 面积相 对于其 它地 方很 小 ， 这样微 电流密度很大 ， 腐蚀就越来越深 ， 形成小孔 ， 促进腐 蚀 。 3 结 论 1 在 硼酸 溶液 中粗 颗 粒 均 匀腐 蚀 程 度 最 大 ， 细 颗粒与中颗粒腐蚀程度无明显差别 。 2 表面缺陷处优先腐蚀 ， 随时间增加形成腐蚀 坑 ， 致密 的氧化膜结构可以减缓腐蚀。 3 腐蚀产物为 白色絮状疏松结构 的 A 1 0 O H 和层状致密结构的 A t O H 。 4 B C粒度对腐蚀行为的影响是表现在影响碳 化硼铝表面沉积的氧化膜 的完整性与成分 ， 以及影 响制备 过程 的表 面缺 陷 。 参考 文献 [ I ]国家发展与 改革 委员 会 ．核 电中长 期 发展 规划 2 0 0 5～2 0 2 0 年 ．北京 国家发展与改革委员会 ， 2 0 0 7 [ 2 ]任风仪 ．国外核燃料后处理 ．北京 原子能出版社 ， 2 0 0 6 [ 3 ]姜圣阶 ．动力堆核燃料 后处理 厂设计 ．北京 原子 能出版社 ， l 9 9 6 [ 4 ]E P R I ． H a n d b o o k o f N e u t r o n A b s o r b e r Ma t e r i a l s f o r S p e n t N u c l e a r F u e l Tr a n s p o r t a t i o n a n d S t o r a g e Ap p l i c a t i o n s 一 2 0 06 E dit i o n ． Ca l i for n i a E PRI ，2 0 0 6 [ 5]樊建中 ， 姚忠凯 ， 李义春 ．颗粒增强铝基复合材料研究进展 ．材 料导报 ， 1 9 9 7， 1 1 3 4 85 1 [ 6]王东山， 薛向欣 ， 刘然 ． B C ／ A 1 复合材料 的研究进展及展望 ．材 料导报 ， 2 0 0 7， 2 1 8 3 8 83 9 0 [ 7 ]于 良， 余新泉 ， 邵磊 ．元压浸渗 制备 B C ／ A 1 复合材料 工艺 的研 究现状 ．材料导报 ， 2 0 0 7 ， 2 1 1 0 1 0 61 0 8 [ 8 ]李刚 ．B C ／ A 1 中子吸收材料相关性能研究 ．成都 中国核动力 研究设计院 ， 2 0 1 2 [ 9 ]石建敏 ， 雷家荣 ， 张 玲 ， 等 ． A I - 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