权利要求

1.一种模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a)：提供待模拟的目标铝合金，并提供所述目标铝合金的目标热中子注量;

步骤b)：根据所述目标热中子注量，确定所述目标铝合金中的目标Si元素含量，根据所述目标铝合金成分与所述目标Si元素含量，提供原料铸锭;

步骤c)：利用所述原料铸锭雾化制粉，获得粉体原料，所述粉体原料为Si的过饱和固溶体;

步骤d)：利用所述粉体原料烧结并热挤压得到铝合金棒材，对所述铝合金棒材进行均匀化热处理和时效处理，得到模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金。

2.根据权利要求1所述的模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的制造方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述原料铸锭按重量比计，含有：2.2%≤Mg≤3.9%，0.15%≤Cr≤0.35%，1%≤Si≤5.4%，Fe≤0.4%，Mn≤0.5%，Cu≤0.1%，Zn≤0.2%，Ti≤0.2%，余量为Al及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的制造方法，其特征在于，所述原料铸锭的制造方法为：

将所述目标铝合金熔化并添加Si元素直至达到所述目标Si元素含量并浇铸。

4.根据权利要求2所述的模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的制造方法，其特征在于，所述原料铸锭的制造方法为：

将纯Al、Al-Si中间合金和Al-Cr中间合金在800℃-850℃下熔化得到合金熔体;

将所述合金熔体降温至650℃-700℃，加入纯Mg;

将所述合金熔体加热至740℃-780℃，精炼并浇铸。

5.根据权利要求3或4所述的模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的制造方法，其特征在于，所述步骤d)中，所述粉体原料的烧结条件为，加热温度380℃-420℃，烧结压力40MPa-60MPa。

6.根据权利要求2所述的模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的制造方法，其特征在于，所述步骤d)中，所述均匀化热处理温度为480℃-520℃，热处理时长为18h-24h。

7.根据权利要求6所述的模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的制造方法，其特征在于，所述步骤d)中，所述时效处理温度为150℃-170℃，热处理时长为10h-30h。

8.一种模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金，其特征在于，采用如权利要求1至7中任一项所述的模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的制造方法制造。

9.根据权利要求8所述的模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金，其特征在于，按重量比计含有2.2%-3.9%的Mg，0.15%-0.35%的Cr、1%-5.4%的Si，不超过0.4%的Fe、不超过0.5%的Mn、不超过0.1%的Cu、不超过0.2%的Zn、不超过0.2%的Ti，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质总重量不超过0.05%。

10.根据权利要求9所述的模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金，其特征在于，所述模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金在经过均匀化热处理、时效处理和热挤压处理后，组织基体为Al固溶体，其中弥散分布有平均直径3nm-20nm的Mg2Si析出相和Si析出相，室温拉伸屈服强度为200MPa-400MPa。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于铝合金领域，具体涉及一种模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金及其制造方法。

背景技术

[0002]5系铝合金中子经济性好，核发热率低，散热快，同时具有良好的耐腐蚀性能和加工性能，因此被广泛应用于研究堆结构件的制造。长期在中子辐照条件下服役，铝合金会因中子辐照而发生脆化，影响结构强度与可靠性。中子辐照导致铝合金力学性能劣化最主要损伤机制是固体嬗变损伤，Al原子俘获中子后转化为Si原子，Si与5系铝合金的主要固溶元素Mg会在铝合金基体中形成分散的析出相(Mg2Si、Si单质等)导致铝合金的快速硬化与脆化。因此，研究铝合金在中子辐照条件下的性能变化对于研究堆的安全设计十分重要。研究堆注量率高且寿期长，材料在寿期末所受总注量高，采用中子辐照试验进行材料性能评估达到研究堆寿期末的中子注量耗时极久，可操作性低。因此，提供一种铝合金制备方式来模拟铝合金辐照后的嬗变Si效应，对于提高铝合金辐照性能研究的效率具有积极意义。

发明内容

[0003]本发明的目的在于提供一种模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的制造方法，模拟中子辐照后的5系铝合金的组织特征。本发明还提供一种模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金。

[0004]根据本发明一个方面的实施例，提供一种模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的制造方法，该方法包括以下步骤：

[0005]步骤a)：提供待模拟的目标铝合金，并提供所述目标铝合金的目标热中子注量;

[0006]步骤b)：根据所述目标热中子注量，确定所述目标铝合金中的目标Si元素含量，根据所述目标铝合金成分与所述目标Si元素含量，提供原料铸锭;

[0007]步骤c)：利用所述原料铸锭雾化制粉，获得粉体原料，所述粉体原料为Si的过饱和固溶体;

[0008]步骤d)：利用所述粉体原料烧结并热挤压得到铝合金棒材，对所述铝合金棒材进行均匀化热处理和时效处理，得到模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金。

[0009]铝合金制件在研究堆中的服役期限可达数十年，由此积累产生的嬗变硅会形成纳米级Mg2Si与单质Si析出相弥散分布于铝合金基体中，直接采用中子辐照试验来进行样品制备的时间成本无法接受，而采用常规熔炼工艺过量的Si会形成粗大的亚共晶组织和微米级析出相，与真实工况下的组织形态与性能相差很大。该方法根据所要模拟的铝合金成分，通过快速凝固制粉的方法制得的过饱和固溶粉体作为原料，再进行粉末冶金。快速凝固技术可以有效减少元素扩散，保持合金的过饱和状态，避免微米级亚共晶体形成，为后续析出相的形成提供有利条件。通过烧结后热挤压将粉末制成致密的块状样品，再通过特定的热处理工艺，促使合金中形成与中子辐照后接近的纳米析出相。上述技术路线能够有效模拟铝合金中子辐照后的成分和析出相等组织变化，解决了现有技术中无法充分实现高硅含量铝合金中析出相控制的问题。该模拟合金的制备方法也缓解了有固体嬗变产物的金属材料的辐照性能评估极度依赖中子辐照的现状。有效提高了试验效率，降低了试验成本。

[0010]进一步地，在部分实施例中，所述步骤b)中，所述原料铸锭按重量比计，含有：2.2%≤Mg≤3.9%，0.15%≤Cr≤0.35%，1%≤Si≤5.4%，Fe≤0.4%，Mn≤0.5%，Cu≤0.1%，Zn≤0.2%，Ti≤0.2%，余量为Al及不可避免的杂质。

[0011]进一步地，在部分实施例中，所述原料铸锭的制造方法为：

[0012]将所述目标铝合金熔化并添加Si元素直至达到所述目标Si元素含量并浇铸。

[0013]进一步地，在部分实施例中，所述原料铸锭的制造方法为：

[0014]将纯Al、Al-Si中间合金和Al-Cr中间合金在800℃-850℃下熔化得到合金熔体;

[0015]将所述合金熔体降温至650℃-700℃，加入纯Mg;

[0016]将所述合金熔体加热至740℃-780℃，精炼并浇铸。

[0017]进一步地，在部分实施例中，所述步骤d)中，所述粉体原料的烧结条件为，加热温度380℃-420℃，烧结压力40MPa-60MPa。

[0018]进一步地，在部分实施例中，所述步骤d)中，所述均匀化热处理温度为480℃-520℃，热处理时长为18h-24h。

[0019]进一步地，在部分实施例中，所述步骤d)中，所述时效处理温度为150℃-170℃，热处理时长为10h-30h。

[0020]根据本发明另一个方面的实施例，提供一种模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金，该铝合金采用前述任一实施例中所提供的模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的制造方法制造。

[0021]该铝合金通过引入额外的Si原子模拟5系铝合金在中子辐照环境下长期服役后嬗变硅形成的析出相状态，从而在不经过真实中子辐照处理的前提下获得与中子辐照后的铝合金近似的析出相组织，从而有效降低研究铝合金中子辐照嬗变效应影响的试验成本，提高研究效率。

[0022]进一步地，在部分实施例中，该铝合金按重量比计含有2.2%-3.9%的Mg，0.15%-0.35%的Cr、1%-5.4%的Si，不超过0.4%的Fe、不超过0.5%的Mn、不超过0.1%的Cu、不超过0.2%的Zn、不超过0.2%的Ti，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质总重量不超过0.05%。

[0023]进一步地，在部分实施例中，所述模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金在经过均匀化热处理、时效处理和热挤压处理后，组织基体为Al固溶体，其中弥散分布有平均直径3nm-20nm的Mg2Si析出相和Si析出相 ，室温拉伸屈服强度为200MPa-400MPa。

附图说明

[0024]图1为一实施例中粉体原料的扫描电镜照片;

图2为一实施例中铝合金组织中Si析出相的透射电镜照片;

图3为一对比例中铝合金经中子辐照后形成的Si析出相透射电镜照片;

图4为一实施例中铝合金样品与对比例样品的拉伸测试曲线;

图5为一实施例中铝合金EBSD测试结果;

图6为另一实施例中铝合金组织中Si析出相的透射电镜照片;

图7为另一对比例中铝合金经中子辐照后形成的Si析出相透射电镜照片;

图8为另一实施例中铝合金样品与对比例样品的拉伸测试曲线。

[0025]上述附图的目的在于对本发明作出详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。

具体实施方式

[0026]下面通过具体实施例结合附图对本发明作出进一步的详细说明。

[0027]本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。

[0028]本文的描述中，“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同对象，而不能理解为指示相对重要性或限定所描述技术特征的数量、特定顺序或主次关系。本文的描述中，“多个”的含义是至少两个。

[0029]5系铝合金(Al-Mg合金)广泛应用于各类研究堆结构材料的制造，在各种研究堆中获得了广泛应用。研究堆通常中子注量率较高，铝合金在长期中子辐照条件下会因固体嬗变损伤而发生力学性能的劣化，具体地，Al原子在热中子作用下嬗变为Si原子：

[0030]

[0031]嬗变Si会在铝合金基体中形成纳米级弥散分布的析出相，导致铝合金快速硬化与脆化。对发生中子辐照嬗变后铝合金力学性能的变化规律进行研究，对于研究堆的安全运行十分重要。由于研究堆的寿期通常长达数十年，采用真实中子辐照试验来对铝合金的嬗变损伤进行试验在时间与成本上无法接受，可操作性低。这种状态不利于研究堆结构设计的优化和安全性能的提高。

[0032]为了解决上述问题，本发明一个方面的实施例提供了一种模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金，通过形成与发生嬗变反应后的铝合金近似的析出相组织来模拟中子辐照嬗变效应对铝合金性能的影响。

[0033]该铝合金通过以下方法制造：

[0034]首先，确定待模拟的目标铝合金，以及所要模拟的目标铝合金状态对应的中子注量。

[0035]接下来，根据目标中子注量确定目标铝合金中的目标Si元素含量，目标Si元素含量包括目标铝合金中原本的Si元素含量与经过中子辐照后增加的嬗变Si含量。嬗变Si的含量可以通过理论计算获得，也可以通过对真实工况下经历过中子辐照的铝合金制件进行检测确定。根据目标铝合金的成分与目标Si元素含量，准备原料铸锭。在不同实施例中，原料铸锭可以直接按照最终成分配比冶炼，也可以将目标铝合金熔化后将Si额外添加至目标量来制得。

[0036]下一步，利用原料铸锭雾化制粉，将原料铸锭加热熔融后利用高压气流将熔融金属液滴吹散成为细小液滴，并快速凝固成球形粉体作为制备铝合金的粉体原料。由于冷凝过程中液滴的冷却速率可以达到104℃/s-105℃/s，Si在球形粉体中以过饱和固溶的形式存在。

[0037]最后，利用粉体原料烧结并挤压得到铝合金棒材，对铝合金棒材进行均匀化热处理与时效处理，使其中的过饱和Si析出形成均匀弥散的纳米级Mg2Si与Si析出相颗粒，得到与目标铝合金经过长期中子辐照后等效的微观结构，从而用于中子辐照嬗变效应对铝合金力学性能表现的模拟评估。该合金与实际经过长期中子辐照后的铝合金组织的区别在于，其组织形态为均匀、致密的热挤压态组织，其中不存在中子辐照产生的离位损伤、嬗变气体等辐照损伤。

[0038]在不同实施例中，目标铝合金可以是5052合金、5154合金或5754合金等，也可以采用其他适用于研究堆结构件制造的5系铝合金。均匀化热处理温度480℃-520℃、热处理时长18h-24h，时效处理温度150℃-170℃、热处理时长10h-30h，上述热处理流程适用于模拟各类5系铝合金的模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的热处理过程，具体的热处理温度与热处理时长则可以根据所模拟的合金最终状态中Si析出相的尺寸进行适应性调整。

[0039]在一个实施例中，目标铝合金的组分为：2.2%-3.9%的Mg，0.15%-0.35%的Cr、不超过0.4%的Si，不超过0.4%的Fe、不超过0.5%的Mn、不超过0.1%的Cu、不超过0.2%的Zn、不超过0.2%的Ti，余量为Al和不可避免的杂质。进一步地，不可避免的杂质元素总量≤0.05%。通常对于一般的研究堆，目标铝合金结构件在设计寿命内，经历了长时中子辐照影响后，嬗变产生的Si原子量重量比在1%-5%的范围内。经过熔炼、粉末冶金、热挤压和热处理后得到的用于模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金，其中Si析出相的平均直径范围在3nm-20nm，经过时效处理的热挤压棒材室温拉伸屈服强度为200MPa-400MPa，能够较好地模拟目标铝合金受中子辐照嬗变影响的力学性能。

[0040]在第一优选实施例中，目标铝合金为5052合金，模拟状态为5052合金承受15×1026n/m2的热中子注量后的组织形态。根据理论计算，在此热中子注量下，生成的嬗变Si所占重量比约为3%。

[0041]确定铝合金成分后，熔炼5052+3%Si合金原料铸锭：将纯Al、Al-Si中间合金和Al-Cr中间合金在800℃下熔化，加热至850℃保温15min，拨除表面浮渣;将合金熔体降温至680±20℃，迅速用石墨杆将Mg块压入熔体中静置至少3min使Mg块完全熔化，控制温度减少Mg熔化过程中的气化损失;待Mg充分熔化后，将熔体升温至760±20℃，加入精炼剂精炼5min并拨除浮渣，撒入覆盖剂并进行10min真空除气，再次拨除浮渣后在740℃左右浇铸并空冷得到原料铸锭。

[0042]接下来利用原料铸锭制备粉体原料。将5052+3%Si原料铸锭放入气雾化设备熔炼腔内的坩埚里，采用氮气置换熔炼腔内的空气，利用电磁感应加热至800℃并保温30min，使原料铸锭完全熔化;将熔体加入喷嘴，使熔体在重力作用下沿喷嘴流动，并在快速流动的雾化氮气冲击下使熔体破碎成为液滴，液滴在下落过程中快速冷却凝固成粉末，由于冷却速率很高，粉末中Si以过饱和形式存在于Al基体内而不会形成析出。在腔体底部收集得到如图1所示的粉体原料，在此工艺参数下典型的粉体原料粉末粒径为10μm-100μm，并具有很高的球形度。

[0043]下一步，进行烧结。为了提高烧结的致密度，在优选实施例中选择粒径10μm-50μm的多种不同尺寸的粉体原料，通过放电等离子工艺烧结。将粉末装入石墨模具后加热至400±20℃，在50±10MPa压力下，以最高2kA的电流烧结成型并空冷至室温。

[0044]随后，将经过烧结处理的合金在350℃下保温1h后，使用1cm直径圆形孔模具以9:1的挤压比、1mm/s的挤压速率挤压为棒材。在500±20℃下保温24h进行均匀化处理，消除铸造与挤压过程中形成的组织非均匀性;在160±10℃下保温24h进行时效处理，使Si原子由过饱和固溶体中析出形成纳米尺度的弥散分布的Si析出相颗粒。

[0045]从经过时效处理的棒材上钻孔取样，称取不少于5g碎屑利用日本滨松的量子产率与瞬态荧光测试系统进行成分测定，取三次测量的平均值，得到合金样品成分(重量比)为：3.01%的Si、2.50%的Mg、0.25%的Cr、0.13%的Fe、0.0013%的Cu、0.0038%的Mn、0.0071%的Zn，余量为Al。

[0046]利用经过时效处理的棒材切取样品进行透射电子显微镜表征，拍摄得到的组织形貌如图2所示(照片范围内未示出Mg2Si相)，可见Al固溶体基体中含Si析出相平均尺寸为8nm。图3所示为一对比例中铝合金在中子辐照影响下的实际微观组织，实施例与对比例中含Si析出相的尺寸与形态相一致。快中子带来的原子位移以及扩散通道能提高Si的扩散速率促进析出相长大，因此铝合金进入中子辐照后期阶段，嬗变Si产生的析出相密度不会无限增加，新嬗变产生的Si往往聚集在已有的析出相周围使已有析出相长大。因此，在模拟合金制备过程中，可以通过延长时效保温时间来模拟辐照后期的微观组织形貌，通过热力学促进含Si析出相长大以达到与快中子辐照等效的结果。

[0047]对经过时效处理的实施例棒材样品与经过同样热处理的5052挤压态合金样品分别进行拉伸测试结果如图4所示，实施例棒材样品屈服强度为280MPa，总延伸率8.5%，其中屈服强度相比5052合金提高了约130MPa，延伸率降低了57%，弥散的Mg2Si与Si纳米颗粒析出相对样品强度和塑性产生了显著的影响，该结果与文献Neutron Irradiation Effectsin 5xxx and 6xxx Series Aluminum Alloys: A Literature Review报道的中子辐照后估算的析出相强化量具有较高的一致性。

[0048]在第二优选实施例中，以承受热中子注量为11.4×1026n/m2的研究堆重水箱5052铝合金为模拟对象，进行用于模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金的制备。

[0049]按照理论计算，承受11.4×1026n/m2的热中子注量时，铝合金中大约产生占重量比2.28%的嬗变Si。在熔融5052合金中额外添加2.28%的Si，浇铸得到原料铸锭;采用与前述实施例相同的方法进行雾化制取粉体原料，在400℃、50MPa的条件下烧结成型并空冷至室温;接下来在350摄氏度下保温1h，采用1cm直径圆形孔洞模具以9:1的挤压比和1mm/s的挤压速率挤压成型得到铝合金棒材;对经过挤压的铝合金棒材在500℃下进行24h的均匀化热处理，最后在160℃下保温10h，得到具有均匀弥散Si纳米颗粒析出相的5052+2.28%Si铝合金组织。

[0050]从经过时效处理的棒材上钻孔取样，称取不少于5g碎屑利用日本滨松的量子产率与瞬态荧光测试系统进行成分测定，取三次测量的平均值，得到合金样品成分(重量比)为：2.28%的Si、2.60%的Mg、0.25%的Cr、0.12%的Fe、0.0008%的Cu、0.0031%的Mg、0.0070%的Zn，余量为Al。

[0051]制备得到的5052+2.28%Si合金样品挤压棒材横截面上的背散射电子衍射图像(EBSD)如图5所示，合金棒材内部组织致密均匀，平均晶粒尺寸约3μm。在棒材中切取样品进行透射电子显微镜表征，拍摄得到的组织形貌如图6所示，Si析出相平均直径为3nm，与如图7所示的文献Effect of neutron fluence on microstructure and mechanicalproperties of Al 5052 irradiated in the National Research Universal (NRU)reactor中报道的NRU堆中11.9×1026n/m2热中子注量下的5052铝合金中析出相的尺寸相一致。

[0052]对经过时效处理的实施例棒材样品与经过同样热处理的5052挤压态合金样品分别进行拉伸测试结果如图8所示，实施例棒材样品屈服强度为260MPa，其屈服强度相比5052合金提高了约110MPa，延伸率降低了53%，弥散的含Si纳米颗粒析出相对样品强度和塑性产生了显著的影响。

[0053]上述实施例所提供的用于模拟中子辐照嬗变硅效应的铝合金，无需依赖中子辐照资源，采用常规工艺就能够对经受中子辐照影响的铝合金组织形态进行模拟，有效节省了试验费用与试验周期，便于批量化、规模化试验的开展。该铝合金能够以低成本开展大量针对铝合金嬗变效应的拓展研究。

[0054]上述实施例中所提供的用于模拟中子辐照嬗变效应的铝合金的制造方法，通过快速凝固与精确热处理相结合，避免了常规铝镁硅合金中常见的粗大亚共晶组织的出现，能够有效形成具有弥散纳米Si颗粒的组织形态。通过对热处理制度进行调控，能够方便、准确地制备等效于不同中子注量下的铝合金中子辐照嬗变组织，技术方案简单、成本低、可操作性强。

[0055]上述实施例的目的在于结合附图对本发明作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思。在本发明公开的范围内，对所涉及的成分或方法步骤进行优化或等效替换，以及在不发生结构与原理冲突的前提下对不同实施例中的实施方式进行结合，均落入本发明的保护范围。

说明书附图(8)