散裂中子源用Cd復合板的制備技術

王旭峰，尉北玲，周　軍，李中奎，文惠民，張海芹

（西部新鋯核材料科技有限公司，陜西西安710299）

散裂中子源用Cd復合板的制備技術

王旭峰，尉北玲，周軍，李中奎，文惠民，張海芹

（西部新鋯核材料科技有限公司，陜西西安710299）

在新一代散裂中子源中，Cd復合板成為其中不可或缺的減震材料。通過對4種Cd復合板制備技術（熱等靜壓復合、爆炸復合、冷噴涂復合、冷軋復合）的介紹及比較，指出熱等靜壓結合適當熱處理可以制備出性能優異的Cd復合板，同時提出了未來可以采取爆炸+冷軋復合的技術制備Cd復合板。

散裂中子源；Cd；復合板

中子散射技術的發展對中子通量提出了更高的要求，而中子源主要分為反應堆和散裂源［1］。其中核反應堆是一種穩定連續的中子源，但是核反應堆中子通量在上世紀就達到飽和，單純利用裂變反應堆難以獲得很高的中子通量。因此，散裂中子源應運而生，其中子通量超過了反應堆中子源的上限，且其具有不使用核燃料及沒有核臨界問題的優點，所以被國際公認是新一代高效安全的強流中子源。目前我國正在廣東東莞建設的散裂中子源（CSNS）是我國“十一五”期間重點建設的大科學裝置，其質子束功率可達100 kW，CSNS是有效脈沖中子通量居世界前列的散裂中子源裝置。CSNS建成后，將與英國、美國、日本的散裂中子源相并列，成為世界四大主要脈沖散裂中子源科學中心之一。

在散裂中子源中（Spallation Nuclear Source，見圖1，采用高能質子來轟擊重核產生中子，這種中子源又分為長脈沖中子源和短脈沖中子源［2］。為了獲得高質量的中子束，需要用到氫氣慢化劑，一方面可以吸收熱中子，另一方面防止中子進入減震器，并且縮短中子束的衰減時間。高截至能量Ed（1～2eV）的材料可以獲得短的衰減時間，B4C減震器的Ed較高，但是因為其He空位膨脹和（n，α）反應，難以用在兆瓦級中子源中［3］。而0.3 cm厚的Ag-15%In-5%Cd（AIC），Ed就高達1eV，且其沒有B4C的He空位膨脹和（n，α）反應，因此可以作為減震器材料。此外，考慮到使用過程中熱量的排除和腐蝕，AIC必須粘合在兩塊Al合金板中使用。另外，Cd也具有較高的Ed，可以被用來做中子源的毒物板。因此研究散裂中子源用Cd復合板的制備技術具有十分重要的意義。

圖1　散裂中子源結構示意圖

1　Cd復合板的制備技術

1.1熱等靜壓復合技術（HIP-Cladding）

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP）是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產技術，加熱溫度通常為1 000～2 000℃，通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質，工作壓力可達200 MPa.在高溫、高壓的共同作用下，工件的各向均衡受壓。故加工產品的致密度高、均勻性好、性能優異。同時該技術具有生產周期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點［4］。目前，熱等靜壓技術的主要應用有：金屬和陶瓷的固結、金剛石刀具的燒結、鑄件質量的修復和改善、高性能磁性材料及靶材的致密化及硬合金后期致密及擴散粘結等，此外熱等靜壓技術還可用于高壓化學反應裝置中［5］。

熱等靜壓復合可以使不相容的材料，如金屬/金屬間化合物與陶瓷粉末的粘結。對于高性能要求的材料常采用燒結-HIP相結合的方法。HIP可以制作各種形狀/尺寸的材料，包括柱狀坯、平矩形棒坯及內外幾何形狀復雜的部件［6］。HIP擴散結合被認為是制造曲界面部件，連結異種材料的理想工藝［7］。HIP粘合工藝的優點是：（1）可以大表面粘結；（2）可以使表面各個方向上同時粘結；（3）可以曲面粘結；（4）粘結粉末材料（同時壓力燒結）；（5）粘結脆性材料；（6）在粘結的同時提高基體材料的性能［6］。

M.Teshigawara［3］等人研究了兩種合金板Ag-In （85Ag-15 In wt%）、Ag-Cd（70Ag-30Cd wt%）和Ag-In-Cd（80Ag-15In-5Cd wt%）和Al（A6061-T6）在不同溫度和保溫時間下的HIP復合。結果表明：具有“三明治”夾層結構（Ag-In合金夾在Al及Ag-Cd合金中間，見圖2所示）的包覆層在803 K、100 MPa下保溫1 h，可以獲得較好的結合。由于Al和Ag-In 或Ag-Cd界面處發生反應而發生脆化，提出可以嘗試用另外一種夾層結構來獲得更高的強度。HIP使Al合金（6061-T6）的強度降低了1/3，為此進行了788 K下保溫30 min的熱處理加水淬處理，有效地恢復了合金的強度。

圖2　具有“三明治”結構的AIC復合板

1.2爆炸復合技術（Explosive welding）

爆炸復合是一種固體加工技術，避免了熔化焊的脆性焊接接頭。其主要優點是：在無須加熱的條件下，大面積地焊合異種金屬，而且可以在曲面，如管狀、棒狀金屬上包覆涂層；爆炸焊合對合金物理性能影響小，金屬界面的電阻和熱阻都很低；金屬薄片包覆尤其用于航空航天的涂層技術，來提高材料的高溫性能等。

爆炸復合技術的原理圖見圖3所示。其工藝過程是：把金屬中間體平行放置于距基體金屬一定距離處，以便在爆炸后獲得足夠的速度。在中間金屬一端或中間點燃引爆劑，爆炸的沖擊波使中間金屬迅速向基體沖去，兩片金屬劇烈碰撞產生金屬噴流，把金屬表面沖刷干凈。在巨大的沖力下兩金屬牢固地結合在一起。由于金屬噴流速度發生震蕩，使焊界面呈現波紋花樣，并且波紋關于引爆索的位置對稱，離對稱軸越遠，波紋越大。

圖3　爆炸復合原理圖

爆炸復合技術與其它方法的區別在于［8］：（1）高壓；（2）高的應變速率；（3）作用載荷的局部性和移動性；（4）復合板復合界面呈現波狀結合；（5）不受材料熔點、塑性相差懸殊的限制，而且復合尺寸規格靈活性很大。

Masayoshi Kawai等［9］研究了用Al板包覆Cd毒物板，發現下部的Al板出現裂紋，使引爆劑的位置遠離Cd板并且使用了較厚的Al板后裂紋減少；另外，Al板和Cd板發生了塑性變形，給后續的高精度平板加工帶來了困難。要減少變形，有待工藝參數的優化。總之，爆炸復合后各板結合較好，是一種很有前景的制備工藝。

爆炸復合技術主要適合于單張面積較大、厚的復合板材產品或復合板坯、多層復合板的生產。其機理仍須進一步的研究，在此基礎上應該開展爆炸復合的模擬研究，提高工藝的自動化程度，降低操作的危險性。

1.3冷噴涂復合技術（Cold Spraying）

冷噴涂復合技術是近年來發展的一種技術，冷噴涂中顆粒在低于熔點的溫度下以固體形式噴到基體上，涂層的形成主要受顆粒動能的影響，從而可以避免一些不利的熱因素對涂層的影響，因此適用于那些在傳統噴涂工藝中受溫度影響大、易氧化、易發生相變或反應的材料的噴涂［10］。

冷噴涂復合技術見圖4所示：通過采用高壓氣體和德拉瓦噴管（De Laval nozzle）來獲得很高的粒子速度。一束高速氣流在加熱器中加熱，不僅提高了德拉瓦噴管最窄處的聲速和保證氣流和噴涂顆粒具有高的速度，而且升高顆粒的溫度可以增強顆粒與基體碰撞過程中的塑性變形。通過給料器的一支高壓氣流，將攜帶噴涂顆粒沿軸向沖向德拉瓦噴嘴的中心。在德拉瓦噴管的發散口，氣流和顆粒被加速到超聲速并且被冷卻下來，兩者一起高速沖向基體，將顆粒涂在基體表面［11］。冷噴涂中顆粒與基體的結合，被認為是在界面處發生了強烈的塑性變形導致的。

圖4　冷噴涂復合技術原理圖

用冷噴涂復合技術制作Cd毒物復合板，可以避免加熱時產生鎘蒸汽（有毒）。由于一次噴涂的厚度在10-2～10-1mm，要得到幾厘米厚的包覆層必須經過多次噴涂，Masayoshi Kawai等［9］研究了Al粉在Cd板上的多次噴涂，得到最佳工藝參數是：氮氣壓力3MPa，噴管溫度300℃.用光學顯微鏡觀察涂層，發現累積的涂層在Al涂覆層表面存在很多空隙，Al/Cd界面處空隙較少，空隙產生的原因和消除方法有待進一步研究。

1.4冷軋復合技術（Cold rolling Cladding）

冷軋復合技術是一種有效的生產層狀復合板的工藝方法，可以生產比較薄的板帶復合材料。根據軋制復合溫度參數，軋制復合法可分為熱軋復合法和冷軋復合法。冷軋復合法中，根據軋機軋輥的轉速或輥徑的差異，可分為等輥徑等輥速復合法和異步軋制復合法。

冷軋復合技術的基本原理是指金屬板在受到軋機強大壓力的作用下，在兩層金屬的待復合表面發生塑性變形，使表面金屬層破裂，得到潔凈而活化的金屬表面，進而形成平面狀的冶金結合。在后續的熱處理過程中結合層繼續擴大，形成穩固結合［12］。軋制復合與單金屬板軋制的根本區別在于，必須施以大的初始道次壓下量，促使復合面的物理接觸。

冷軋復合技術經常用于Al合金和其他金屬的復合，這種方法可以在基體和包覆層之間產生新生界面，有利于兩種材料的牢固粘合。實驗中改變道次數（1～13）和軋制溫度對6組試樣進行軋制，最大軋制率為26%.超聲波檢測發現Al和Cd的粘合并不牢固，分析認為是Al板表面的Al2O3沒有去除所致，要得到良好的粘合必須在滾軋前對金屬進行預處理［9］。

1.5爆炸+冷軋復合技術

爆炸復合法對于生產較薄的（≤6 mm）和對表面質量要求較高的層狀金屬復合板比較困難；軋制復合法雖然可以生產不同厚度和表面質量較高的層狀復合板，但是復合板的組元成分和寬度受到軋機軋制能力限制。因此，可以先通過爆炸復合法制備較厚的復合板坯，再根據不同的要求，通過熱軋或冷軋或熱軋+冷軋的工藝軋制成所需的復合板。

爆炸+冷軋復合技術是一種比較靈活可靠的工藝方法［12］，它綜合了爆炸和軋制兩種工藝的優點，可以生產較大面積的復合薄板帶，因此有望被用于要求較高的散裂中子源用Cd復合板的生產上。

2　結束語

（1）散裂中子源用Cd復合板可以采用熱等靜壓、爆炸復合、冷噴涂、冷軋等多種復合技術制備，其中采取熱等靜壓結合熱處理的方式可以制備出性能優異的Cd復合板。

（2）爆炸+冷軋復合技術結合了兩種技術的優點，未來有望用于Cd復合板的制備。

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The Processing Method of Cd Plate in Spallation Nuclear Source

WANG Xu-feng，WEI Bei-ling，ZHOU Jun，LI Zhong-kui，WEN Hui-min，ZHANG Hai-qin
（Western Energy Materials Co.，Ltd.，Xi’an 710299，China）

In the new generation of spallation nuclear source，Cd plate can be used as unique vibration-absorptive material.Compared with 4 different processing methods（HIP，Explosive welding，Cold spraying，Cold rolling），HIP also with heat treatment can be the best way to prepare Cd plate.The explosive welding connect ing with cold rolling method can be used for preparing the Cd plate in the future.

spallation nuclear source；cd；clad plate

TG77

A

1672-545X（2016）07-0100-04

2016-04-27

王旭峰（1984-），男，陜西西安人，碩士，工程師，研究方向：核材料、難熔金屬。