本项创新技术涉及高温弹簧领域,介绍了一种新型耐高温陶瓷复合材料弹簧及其制备工艺。该工艺通过化学气相沉积技术在模具表面形成碳化硅层,制备出稳定性高的弹簧模具。随后,将特定材料填充入模具中,经过固化和后处理步骤,最终得到高性能的陶瓷复合材料弹簧。
背景技术
核反应堆控制技术是确保核反应堆安全、稳定运行的关键技术之一,是各个国家的研究重点和热点。控制棒是控制反应堆启停的核心原件。在控制棒沿堆芯轴向移动时,需要采用弹簧阵列对控制棒的运动进行缓冲,避免结构元件之间产生硬碰撞,进而导致堆芯受损。以典型的氦-氙反应堆为例,在反应堆运行时,堆芯结构处于700℃至1300℃的高温环境中,这对弹簧的耐中子辐照特性、耐高温性、长时性能稳定性和回弹特性提出了更高的需求和挑战。
现有技术中的耐热不锈钢X35CrMo17和X30WCrV53可耐400℃高温,耐高温合金InconelX750和高温合金InconelX718可耐600℃高温,高温合金Nimonic90耐温可达700℃。但是,当使用温度超过900℃时,上述几种高温合金的强度均会发生显著降低,进而使通过上述几种高温合金制备的弹簧性能降低甚至失去回弹能力,进而限制了上述几种高温合金在核反应堆中的应用。
为了解决上述技术问题,本领域技术人员提出了通过引入碳纤维增强体的方式实现对弹簧材料的性能进行改善,且现有技术在引入碳纤维增强体时,通过采用先驱体转化工艺和碳纤维编织法进行制备。其中,先驱体转化工艺先采用熔模法成型工艺制备弹簧预制体,以先驱体转化工艺致密化,采用CVD工艺沉积SiC抗氧化涂层,制备了单向碳纤维增强碳化硅,该制备方法虽然在一定程度上能够实现通过碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料弹簧的性能,但是该制备方法工艺复杂,操作难度大,且制备得到的弹簧容易在核反应堆的中子辐照环境、或其它有氧环境下发生退化和损伤,导致弹簧的使用寿命不满足工程使用要求。上述碳纤维编织法是指通过将多股碳纤维编织成碳纤维绳,再通过气相沉积法在形成的碳纤维绳表面沉积碳化硅材料,以实现碳纤维和碳化硅的复合,但是该方法形成的弹簧在大变形情况下容易发生纤维散开、基体脱落等现象,并同样存在耐中子辐照和抗氧化性能不足的问题。
实现思路