[发明专利]面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法

说明书

本发明公开了一种面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，包括下述步骤：将铝合金实体结构通过拓扑优化再设计为点阵结构，并通过激光选区熔化技术对其进行制造成形；所述点阵结构为内部为具有一定孔隙率的多孔结构，而外部轮廓封闭，但留有碳化硼粉末填充口；将细小的碳化硼粉末灌入铝合金点阵结构中；将铝合金点阵结构的碳化硼粉末填充口通过激光选区熔化技术进行再增材，从而使再增材后的铝合金点阵结构外部轮廓实体完整。本发明将增材制造结构成形自由度高的特点应用到防中子辐射铝基碳化硼材料的成形制造中，弥补了防中子辐射铝基碳化硼材料的传统制造方法无法成形异性结构，中子吸收材料空间分布防护效能低且有漏缝的缺陷。

技术领域

本发明属于増材制造的技术领域，具体涉及一种面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法。

背景技术

激光选区熔化是近年来发展迅速的一项金属增材制造技术，它能够成形任意形状的铝合金零件，相对于其它金属增材制造技术，具有尺寸精度好、表面质量高、致密度高的优势。拓扑优化点阵设计是增材制造中一种结构设计手段，它可将实体结构进行轻量化，通过有限元的思想把实体结构最终变成由若干个单元体结构组合而成的孔隙化结构。点阵结构的材料特点是重量轻、高强度比和高特定刚性。并且带来各种热力学特征，点阵结构的超轻型结构适合用在抗冲击/爆炸系统、或者充当散热介质、声振、微波吸收结构和驱动系统中。

核电站乏燃料储存格架中有热中子、中等能量中子和快中子辐射。一般来说，对于中能中子和快中子，需将其慢化为热中子才能被屏蔽材料所吸收。热中子屏蔽材料需具有良好的热中子吸收性能和机械性能。随着铝基复合材料逐渐发展成熟，近十年出现一种新型铝基碳化硼中子吸收材料，即由碳化硼(B4C)颗粒添加到铝合金基体中形成的一种致密的铝基复合材料。该材料具有优异的力学性能与中子吸收性能，且密度低、热导率高。在核燃料格架中，中子吸收材料主要为功能材料，其外面由一层不锈钢薄板固定在不锈钢格架单元外壁形成一种三明治结构。随着核电站抗震性要求提高、乏燃料高密度储存及运输等需求，新型铝基碳化硼逐渐替代硼不锈钢等传统中子吸收材料制造格架和运输容器，已成为核电工程设计的主要方案。

目前传统铝基碳化硼制造方法制造工艺繁琐，相比增材制造方法无法成形复杂形状结构。为将增材制造结构成形自由度高的特点应用到铝基碳化硼的制造中，因此提出了一种面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，将增材制造结构成形自由度高的特点应用到防中子辐射铝基碳化硼材料的成形制造中，弥补了防中子辐射铝基碳化硼材料的传统制造方法无法成形复杂结构的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法，包括下述步骤：

复杂铝合金点阵结构成形，将铝合金实体结构通过拓扑优化再设计为点阵结构，并通过激光选区熔化技术对其进行制造成形；所述点阵结构为内部为具有一定孔隙率的多孔结构，而外部轮廓则为实体但留有碳化硼粉末填充口；

碳化硼粉末填充，将细小的碳化硼粉末灌入铝合金点阵结构中，使碳化硼粉末充满铝合金点阵结构内部的孔隙；

铝合金点阵结构封口，将铝合金点阵结构的碳化硼粉末填充口通过激光选区熔化技术进行再增材，从而使再增材后的铝合金点阵结构外部轮廓实体完整，进而将碳化硼粉末完好的密封在内部。

作为优选的技术方案，所述将铝合金实体结构通过拓扑优化再设计为点阵结构的步骤中，具体为：

根据中子防护应用环境要求，对中子防护的屏蔽材料进行外形构造，借助有限元分析应力情况以及中子辐射密集度进行外形拓扑优化与点阵结构密度设计，根据应力分布情况，应力大的地方，对外形的厚度以及点阵密度要求高，以承受更大的应力，满足强度与刚度要求；对中子辐射密集的地方，外形厚度减薄，点阵密度降低，给中子吸收材料碳化硼留取更大空间。