关于通过激光定向能量沉积和真空烧结技术制备的B4C/Al中子吸收复合材料的腐蚀性能研究

《Materials Today Communications》：Study on corrosion property of B 4C/Al neutron absorbing composites fabricated by laser directed energy deposition and vacuum sintering

激光直接能量沉积与真空烧结制备的B4C/Al复合材料中子吸收性能及腐蚀对比研究。摘要：采用LDED和VS工艺制备30wt% B4C/Al中子吸收复合材料，比较其10B面密度、微观结构和耐腐蚀性。实验表明LDED工艺复合材料10B面密度为VS的1.1倍，且在H3BO3溶液中耐腐蚀性更强，主要归因于AlB2和Al4C3沉淀物的阴极保护作用。

　　随着核能技术的快速发展，核反应堆在提供清洁能源的同时，也带来了大量的放射性废料，尤其是压水堆（PWR）产生的乏燃料（SNFs）。这些废料的存储、运输和再处理成为核能领域必须解决的关键问题。为了保障核设施的安全运行，对这些材料的防护措施尤为重要。其中，硼化铝（B?C/Al）复合材料因其轻质、优异的机械性能以及显著的中子吸收能力，被广泛应用于乏燃料存储池支架和存储运输容器的制造中。然而，这些材料在实际应用中会面临腐蚀问题，尤其是在含有硼酸（H?BO?）的水溶液环境中，其耐腐蚀性能直接影响其使用寿命和可靠性。

目前，B?C/Al复合材料的制备技术主要包括铸造、粉末冶金和浸渗三种主要方法。铸造技术通过高温熔融金属基体与增强相，形成均匀的复合材料。然而，该方法需要较高的温度，且容易产生缺陷，如裂纹和气孔。相比之下，粉末冶金技术主要依赖于粉末混合、压制和烧结等步骤，适用于制备具有高体积分数增强相的复合材料。浸渗技术则通过将增强相嵌入金属基体中，适用于制造高体积分数的金属基复合材料。尽管这些方法各有优势，但在实际应用中仍存在一定的局限性，例如在控制材料微观结构和提升其耐腐蚀性能方面表现不足。

激光定向能量沉积（LDED）作为一种新兴的增材制造技术，利用高能激光束快速加热和局部熔化材料，随后迅速冷却和凝固。这种方法不仅能够实现材料的逐层堆积，还能在一定程度上控制材料的微观结构，使其具有更高的密度和均匀性。此外，LDED技术还能够处理复杂的几何形状，为核反应堆安全系统的材料设计提供了新的可能性。近期的研究表明，LDED技术在制备B?C/Al复合材料方面具有独特的优势，例如能够通过调控激光参数来优化材料的性能。在实际应用中，B?C/Al复合材料的中子吸收性能与材料的硼含量密切相关，而其耐腐蚀性能则受到材料微观结构和表面处理方式的影响。

本研究中，采用LDED和真空烧结（VS）两种技术制备了含有30 wt% B?C的B?C/Al中子吸收复合材料，并对其中子吸收性能和耐腐蚀性能进行了对比分析。研究结果表明，LDED制备的B?C/Al复合材料的中子吸收性能优于VS技术，其¹⁰B面密度（¹⁰BAD）是VS技术的1.1倍。这说明LDED技术在提高材料中子吸收能力方面具有显著优势。同时，扫描电镜（SEM）观察发现，LDED制备的B?C/Al复合材料中形成了AlB?和Al?C?的析出物，这些析出物能够为铝基体提供阴极保护，从而提高其在H?BO?溶液中的耐腐蚀性能。

在电化学腐蚀和浸渍腐蚀实验中，LDED和VS技术制备的B?C/Al复合材料均表现出坑蚀为主要的腐蚀形式。然而，LDED制备的复合材料在H?BO?溶液中的耐腐蚀性能更优，这与析出物的形成和分布密切相关。析出物的存在能够改善材料的表面特性，减少腐蚀的发生。此外，研究还发现，B?C颗粒的不规则形状导致其表面氧化膜的不连续性，这在一定程度上影响了材料的耐腐蚀性能。因此，通过优化材料的微观结构和表面处理方式，可以有效提升B?C/Al复合材料的耐腐蚀能力。

在实际应用中，B?C/Al复合材料的耐腐蚀性能不仅关系到其在核反应堆安全系统中的可靠性，还直接影响其使用寿命和维护成本。因此，研究不同制备技术对材料性能的影响具有重要意义。LDED技术能够通过精确控制材料的微观结构和成分分布，提高材料的中子吸收能力和耐腐蚀性能。而真空烧结技术虽然能够制备出具有一定密度的复合材料，但在提升其中子吸收能力和耐腐蚀性能方面表现不如LDED技术。

此外，研究还发现，B?C/Al复合材料的腐蚀行为受到多种因素的影响，包括材料的微观结构、表面处理方式以及所处环境的化学成分。例如，在含有氯离子（Cl?）的溶液中，B?C/Al复合材料的腐蚀速率显著增加，这表明其耐腐蚀性能对环境条件非常敏感。因此，在设计和应用B?C/Al复合材料时，必须充分考虑其在不同环境中的表现，以确保其在长期运行中的稳定性。

综上所述，LDED技术在制备B?C/Al中子吸收复合材料方面展现出显著的优势，不仅能够提高材料的中子吸收能力，还能改善其耐腐蚀性能。然而，该技术仍需进一步优化，以提高其在复杂环境中的适用性。未来的研究应着重于探索不同制备参数对材料性能的影响，以及如何通过表面处理和成分调控进一步提升其耐腐蚀能力。这将为核反应堆安全系统的材料设计和制造提供重要的理论支持和技术指导。