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EP3109332A1 - Metallborid-modifizierter aluminium-basierter werkstoff für die lagerung abgebrannter kernbrennstäbe und herstellung desselben - Google Patents

Metallborid-modifizierter aluminium-basierter werkstoff für die lagerung abgebrannter kernbrennstäbe und herstellung desselben Download PDF

Info

Publication number
EP3109332A1
EP3109332A1 EP15001849.7A EP15001849A EP3109332A1 EP 3109332 A1 EP3109332 A1 EP 3109332A1 EP 15001849 A EP15001849 A EP 15001849A EP 3109332 A1 EP3109332 A1 EP 3109332A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metal
aluminum
matrix composite
metal matrix
amount
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15001849.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Palm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Airbus Defence and Space GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Defence and Space GmbH filed Critical Airbus Defence and Space GmbH
Priority to EP15001849.7A priority Critical patent/EP3109332A1/de
Priority to PCT/EP2016/064481 priority patent/WO2016207254A1/de
Publication of EP3109332A1 publication Critical patent/EP3109332A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C22C32/0073—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only borides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C22C1/1047—Alloys containing non-metals starting from a melt by mixing and casting liquid metal matrix composites
    • C22C1/1052—Alloys containing non-metals starting from a melt by mixing and casting liquid metal matrix composites by mixing and casting metal matrix composites with reaction
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/08—Metals; Alloys; Cermets, i.e. sintered mixtures of ceramics and metals
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F5/00—Transportable or portable shielded containers

Definitions

  • the present invention relates to a metal matrix composite material comprising an aluminum matrix, and particles distributed in the aluminum matrix comprising a metal boride, a process for producing such a metal matrix composite, and an article comprising such a metal matrix composite and the use of a metal boride of the MB 6 .
  • Metal matrix composites comprising metal borides are frequently used to make storage containers for radioactive (still weak) radiating nuclear fuel rods.
  • MB 4 -type metal borides such as boron carbide (B 4 C) are currently used in aluminum alloys.
  • the aluminum alloys are mixed with powdered boron carbide (B 4 C), poured off and extruded or rolled.
  • B 4 C powdered boron carbide
  • DE 10 2011 120 988 A1 a flat semi-finished product of an aluminum matrix composite alloy with particles of boron carbide.
  • the use of boron carbide offers the advantage that a certain amount of boron can be provided as neutron scavenger.
  • the safety requirements for corresponding storage vessels are being set high by the companies that need to store the nuclear fuel rods after use.
  • the material used to make the storage containers must contain an ever higher minimum amount of boron than neutron scavenger.
  • the material in case of failure of the water cooling a not insignificant amount of heat, so that the material additionally have a certain heat resistance and the resulting heat well must carry away.
  • These material properties must also be proven for at least 40 years, more preferably 50 years.
  • the new materials have to be handed over to strict cost specifications.
  • Object of the present invention is therefore to provide a material which is suitable as a material for the production of storage containers for radioactive (still weak) radiating nuclear fuel rods.
  • Another object of the present invention is to provide a material containing a high amount of boron, in particular an amount which is higher than the amount usually achieved with boron carbide (B 4 C).
  • Another object of the present invention is that the material has high heat resistance and thermal conductivity.
  • an object of the present invention is that the material has sufficient long-term stability.
  • Another object of the present invention is that the material is inexpensive and easy to manufacture.
  • the metal matrix composite according to the invention is suitable as a material for the production of storage containers for radioactive nuclear fuel rods. Another advantage is that the metal matrix composite contains a high amount of boron, in particular an amount that is higher than the amount usually achieved with boron carbide (B 4 C). Another advantage is that the metal matrix composite material has high heat resistance and thermal conductivity. Another advantage is that the metal matrix composite has sufficient long-term durability. Another advantage is that the metal matrix composite is inexpensive and easy to manufacture.
  • the aluminum matrix comprises, as further component, at least one component selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), Titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La), or mixtures thereof.
  • the metal matrix composite comprises the aluminum matrix in an amount of from 40 to 88 percent by weight based on the total weight of the metal matrix composite.
  • the particles comprising a metal boride dispersed in the aluminum matrix have a weight ratio of the isotopes 11 B to 10 B [ 11 B / 10 B] of 5: 1 to 3: 1.
  • the particles dispersed in the aluminum matrix comprise an MB 6 -type metal boride, where M denotes a metal cation.
  • the particles distributed in the aluminum matrix include calcium hexaboride (CaB 6 ) and / or lanthanum hexaboride (LaB 6 ),
  • the particles distributed in the aluminum matrix represent nanoparticles with a diameter of 10 to 100 000 nm.
  • the metal matrix composite has a thermal conductivity of at least 160 Wm -1 K -1 , determined according to ISO 25239-1: 2011, and / or a strength of at least 117 N / mm 2 at a temperature of 375 ° C, determined according to ISO 527-2, up.
  • the metal matrix composite is obtained by the method described herein.
  • step d) takes place at a temperature of 900 ° C to 1500 ° C.
  • the metal matrix composite obtained in step d) is cooled to a temperature below the temperature used in step d).
  • the present invention relates to an article, preferably a radioactive nuclear fuel rod storage vessel, comprising the metal matrix composite as defined herein.
  • the present invention relates to the use of MB 6 -type metal boride in a radioactive nuclear fuel rod storage vessel.
  • the metal matrix composite comprises an aluminum matrix.
  • the use of an aluminum matrix is advantageous because it has a low weight and thus contributes to a lower total weight of the article, in particular the storage container for radioactive nuclear fuel rods. Furthermore, the aluminum matrix has a good thermal conductivity.
  • the aluminum matrix may consist essentially of aluminum.
  • the aluminum matrix comprises at least one further component as alloying element (s).
  • the aluminum matrix as further component comprises at least one component selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe), Vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La), or mixtures thereof.
  • the aluminum matrix as a further component comprises a component selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta) or lanthanum (La).
  • the aluminum matrix comprises as further component at least two components, for example two components selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe), Vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta) or lanthanum (La).
  • the aluminum matrix comprises as further component at least three components, for example three or four components selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe ), Vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta) or lanthanum (La).
  • the aluminum matrix comprises as further component at least one component, for example one, two or three or four components selected from the group comprising silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni), zircon (Zr) and iron (Fe).
  • the aluminum matrix preferably comprises, as further component, three or four components selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni), zirconium (Zr) and iron (Fe).
  • the aluminum matrix comprises a further component as alloying element
  • the aluminum matrix comprises, for example, scandium (Sc) or copper (Cu).
  • the aluminum matrix comprises, for example, scandium (Sc) and copper (Cu).
  • the aluminum matrix may comprise, for example, silicon (Si) and magnesium (Mg) if the aluminum matrix comprises two further components as alloying elements.
  • the aluminum matrix comprises scandium (Sc) and zirconium (Zr) when the aluminum matrix comprises two further components as alloying elements.
  • the aluminum matrix comprises aluminum (Al) and the at least one component, for example one, two or three or four components, which is selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), Nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta), Lanthanum (La) or mixtures thereof, preferably in a total amount of at least 90.0 wt .-%, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the at least one component for example one, two or three or four components, which is selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), Nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganes
  • the aluminum matrix comprises aluminum (Al) and the at least one component, for example one, two or three or four components, which is selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg) , Nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), Manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La) or mixtures thereof, preferably in a total amount of at least 92.0% by weight, preferably of at least 95.0% by weight in total and most preferably at least 96.0% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the at least one component for example one, two or three or four components, which is selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg) , Nickel (Ni), iron (Fe), vanadium
  • the aluminum matrix comprises aluminum (Al) and the at least one component, for example one, two or three or four components, which is selected from the group comprising silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu) , Magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb) , Tantalum (Ta), lanthanum (La) or mixtures thereof, preferably in a total amount of at least 97.0% by weight, preferably at least 98.0% by total, more preferably at least 99.0% by weight and most preferably totaling at least 99.5 wt .-% based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the at least one component for example one, two or three or four components, which is selected from the group comprising silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu) , Magne
  • the aluminum matrix comprises aluminum (Al) and the at least one component, for example one, two or three or four components, which is selected from the group comprising silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu) , Magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb) , Tantalum (Ta), lanthanum (La) or mixtures thereof, preferably in total in an amount of 98.0 to 100.0 wt .-% or in total in an amount of 98.0 to 99.99 wt .-%, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the at least one component for example one, two or three or four components, which is selected from the group comprising silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu) , Magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe
  • the aluminum matrix comprises aluminum (Al) and the at least one component, for example one, two or three or four components, which is selected from the group comprising silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg) , Nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta) , Lanthanum (La) or mixtures thereof, preferably in total in an amount of 98.0 to 99.95 wt .-%, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the at least one component for example one, two or three or four components, which is selected from the group comprising silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg) , Nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium
  • the aluminum matrix comprises aluminum (Al) and the at least one component, for example one, two or three or four components, which is selected from the group comprising silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu) , Magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb) , Tantalum (Ta), lanthanum (La) or mixtures thereof, preferably in total in an amount of 99.0 to 99.95 wt .-%, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the at least one component for example one, two or three or four components, which is selected from the group comprising silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu) , Magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Z
  • the aluminum matrix comprises aluminum (Al) and the at least one component, for example one, two or three or four components, which is selected from the group comprising silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg) , Nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta) , Lanthanum (La) or mixtures thereof, preferably in total in an amount of 99.5 to 99.95 wt .-%, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the at least one component for example one, two or three or four components, which is selected from the group comprising silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg) , Nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium
  • the aluminum matrix may have a content of impurities that balances the 100.0% by weight.
  • the aluminum matrix comprises the at least one component selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe) , Vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La) or mixtures thereof, in in an amount of 0.1 to 35.0% by weight per element, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises the at least one component selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V) , Titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb),
  • the aluminum matrix comprises the at least one component, for example two or three or four components, which is selected from the group comprising silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni) , Iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La) or mixtures thereof, in an amount of 0.5 to 40.0 wt .-% in total, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises the at least one component, for example two or three or four components, selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni), iron (Fe), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), ytterbium (Y), manganese (Mn), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta), lanthanum (La) or mixtures of which, in an amount of 1.0 to 30.0 wt .-% in total, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises aluminum (Al) in an amount of from 60.0 to 99.95% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises aluminum (Al) in an amount of 70.0 to 99.0% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises at least one further component, for example two or three or four components selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu) , Magnesium (Mg), nickel (Ni), zirconium (Zr) and iron (Fe) in a certain amount.
  • the aluminum matrix comprises the at least one further component, for example two or three or four components, which is selected from the group consisting of silicon (Si), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni), zirconium (Zr) and Fe (Fe) in an amount of 0.5 to 40.0 wt .-% in total, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises the at least one further component, for example two or three or four components, which is selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), Nickel (Ni), zirconium (Zr) and iron (Fe) in an amount of 1.0 to 30.0 wt .-% in total, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the at least one further component for example two or three or four components, which is selected from the group consisting of silicon (Si), scandium (Sc), copper (Cu), magnesium (Mg), Nickel (Ni), zirconium (Zr) and iron (Fe) in an amount of 1.0 to 30.0 wt .-% in total, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises silicon (Si) in an amount greater than 8.0% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises silicon (Si) in an amount of 8.0 to 30.0% by weight, preferably in an amount of 10.0 to 30.0% by weight, more preferably in an amount of 10.0 to 27.0% by weight. % and most preferably in an amount of from 11.0 to 26.0% by weight based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the addition of silicon (Si) has the particular advantage that it contributes to improving the heat resistance.
  • the aluminum matrix comprises scandium (Sc) in an amount of 0.1 to 1.0% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises scandium (Sc) in an amount of 0.1 to 0.8 wt .-%, and preferably in an amount of 0.1 to 0.6 wt .-%, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the addition of scandium (Sc) has the particular advantage that it contributes to the improvement of both the room temperature resistance and the strength at higher temperatures (heat resistance).
  • Scandium (Sc) improves creep resistance the aluminum matrix and thus also the metal matrix composite material.
  • the thermal conductivity can be improved.
  • the aluminum matrix comprises copper (Cu) in an amount of 0.5 to 5.0 weight percent, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises copper (Cu) in an amount of 0.8 to 5.0% by weight, and preferably in an amount of 1.0 to 2.5% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • copper (Cu) has the particular advantage that it contributes to the improvement of both the room temperature resistance and the strength at higher temperatures (heat resistance). In addition, the thermal conductivity can be improved.
  • the aluminum matrix comprises zirconium (Zr) in an amount of from 0.1 to 5.0% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises zirconium (Zr) in an amount of from 0.2 to 3.0% by weight, and preferably in an amount of from 0.3 to 2.0% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • zirconium (Zr) has the particular advantage that it contributes to improving both the room temperature resistance and the strength at higher temperatures (heat resistance). In addition, the thermal conductivity can be improved.
  • the aluminum matrix comprises magnesium (Mg) in an amount of 0.5 to 2.5% by weight based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises magnesium (Mg) in an amount of 0.5 to 2.0 wt%, and preferably in an amount of 0.8 to 1.5 wt%, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the addition of magnesium (Mg) has the particular advantage that the specific density is reduced.
  • the aluminum matrix comprises nickel (Ni) in an amount of 0.5 to 4.0% by weight based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises nickel (Ni) in an amount of 0.5 to 3.0 wt .-%, and preferably in an amount of 0.8 to 2.5 wt .-%, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the alloying of nickel (Ni) has the particular advantage that the thermal stability and strength is improved.
  • the aluminum matrix comprises iron (Fe) in an amount of 1.0 to 8.0 wt.%, Based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the aluminum matrix comprises iron (Fe) in an amount of 2.0 to 7.0 wt%, and preferably in an amount of 4.0 to 6.0 wt%, based on the total weight of the aluminum matrix.
  • the alloying of iron (Fe) has the particular advantage that the thermal stability and strength is improved.
  • the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably, aluminum (Al), scandium (Sc) and copper (Cu) as matrix components. More preferably, the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably consisting of, scandium (Sc) in an amount of 0.1 to 0.5 wt .-%, for example from 0.1 to 0.3 wt .-%, copper (Cu) in an amount of 1.0 to 2.5 wt .-%, for example from 1.5 to 2.2 wt .-%, based on the total weight of the aluminum matrix, and a 100.0 wt .-% compensating proportion of aluminum.
  • scandium (Sc) in an amount of 0.1 to 0.5 wt .-%, for example from 0.1 to 0.3 wt .-%
  • copper (Cu) in an amount of 1.0 to 2.5 wt .-%, for example from 1.5 to 2.2 wt .-%, based on the total weight of the aluminum matrix, and a 100.0
  • the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably consisting of, scandium (Sc) in an amount of 0.1 to 0.5 wt .-%, for example from 0.1 to 0.3 wt .-%, copper (Cu) in an amount of 1.0 to 2.5 wt .-%, for example from 1.5 to 2.2 wt .-%, based on the total weight of the aluminum matrix, and a 100.0 wt .-% compensating proportion of aluminum with traces of contamination.
  • Sc scandium
  • Cu copper
  • the metal matrix composite comprises a matrix comprising, preferably, aluminum (Al), magnesium (Mg) and silicon (Si) as matrix components. More preferably, the metal matrix composite comprises a matrix comprising, preferably, magnesium (Mg) in an amount of 0.5 to 2.0 wt%, for example, 0.8 to 1.5 wt%, silicon (Si) in an amount of 10.0 to 27.0% by weight, for example from 11.0 to 26.0% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix, and a proportion of aluminum equalizing the 100.0% by weight.
  • the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably, magnesium (Mg) in an amount of 0.5 to 2.0 wt%, for example, 0.8 to 1.5 wt%, silicon (Si) in an amount of 10.0 to 27.0 wt .-%, for example, from 11.0 to 26.0 wt .-%, based on the total weight of the aluminum matrix, and a 100.0 wt .-% compensating content of aluminum with traces of contamination.
  • Mg magnesium
  • Si silicon
  • the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably consisting of, aluminum (Al) and scandium (Sc) as matrix components. More preferably, the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably consisting of, scandium (Sc) in an amount of from 0.1 to 1.0% by weight, for example from 0.1 to 0.8% by weight or from 0.1 to 0.6% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix, and a proportion of aluminum equalizing the 100.0% by weight.
  • the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably consisting of, scandium (Sc) in an amount of from 0.1 to 1.0% by weight, for example from 0.1 to 0.8% by weight, or from 0.1 to 0.6% by weight on the total weight of the aluminum matrix, and a proportion of contaminant trace aluminum equalizing 100.0% by weight.
  • Sc scandium
  • the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably consisting of, aluminum (Al), scandium (Sc) and zirconium (Zr) as matrix components. More preferably, the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably consisting of, scandium (Sc) in an amount of from 0.1 to 1.0% by weight, for example from 0.1 to 0.8% by weight or from 0.1 to 0.6% by weight, and zirconium (Zr) in an amount of from 0.1 to 5.0% by weight, for example from 0.2 to 3.0% by weight or from 0.3 to 2.0% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix, and one containing 100.0% by weight. % balancing share of aluminum.
  • the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably consisting of, scandium (Sc) in an amount of 0.1 to 1.0 wt .-%, for example from 0.1 to 0.8 wt .-% or from 0.1 to 0.6 wt .-%, and Zirconium (Zr) in an amount of from 0.1 to 5.0% by weight, for example from 0.2 to 3.0% by weight or from 0.3 to 2.0% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix, and one containing 100.0% by weight compensating fraction of aluminum with traces of contamination.
  • Sc scandium
  • Zr Zirconium
  • the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably consisting of, aluminum (Al) and copper (Cu) as matrix components. Even more preferably, the metal matrix composite comprises a matrix comprising, preferably consisting of, copper (Cu) in an amount of from 0.5 to 5.0% by weight, for example from 0.8 to 5.0% by weight or from 1.0 to 2.5% by weight, based on the total weight of the aluminum matrix, and a proportion of aluminum equalizing the 100.0% by weight.
  • the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably consisting of, copper (Cu) in an amount of from 0.5 to 5.0% by weight, for example from 0.8 to 5.0% by weight or from 1.0 to 2.5% by weight on the total weight of the aluminum matrix, and a proportion of contaminant trace aluminum equalizing 100.0% by weight.
  • Cu copper
  • the metal matrix composite material comprises a matrix comprising, preferably consisting of, aluminum (Al) and at least one further component selected from the group consisting of magnesium (Mg), copper (Cu), silicon (Si), zirconium (Zr ) and nickel (Ni).
  • the metal matrix composite preferably comprises the aluminum matrix in an amount of from 40 to 88 percent by weight based on the total weight of the metal matrix composite.
  • the aluminum matrix preferably comprises in an amount of 70 to 88 wt .-%, based on the total weight of the metal matrix Verbu ndwerkstoffes.
  • a further requirement of the present invention is in particular that particles comprising a metal boride are distributed in the aluminum matrix.
  • the metal matrix composite material comprises the metal boride in a certain amount in order to ensure a high amount of boron and thus a high amount of "neutron catcher" in the material.
  • the amount of boron is in particular higher than the amount which is usually achieved with boron carbide (B 4 C) in appropriate materials.
  • the metal matrix composite contain the metal cation in an amount of 2 to 20% by weight, and boride in an amount of 10 to 40% by weight, based on the total weight of the metal matrix.
  • Composite material includes.
  • the metal matrix composite comprises the metal cation in an amount of from 2 to 10 wt%, and boride in an amount of from 10 to 20 wt%, based on the total weight of the metal matrix composite.
  • the particles distributed in the aluminum matrix comprising a metal boride are preferably nanoparticles.
  • nanoparticles particles having particle sizes in the nanometer to the lower micrometer range.
  • the particles distributed in the aluminum matrix comprising a metal boride comprise particles having a diameter in a range of 10 to 100,000 nm.
  • the particles comprising a metal boride dispersed in the aluminum matrix comprise particles having a diameter in a range of 15 to 10,000 nm, more preferably from 20 to 5,000 nm, and most preferably from 25 to 1,000 nm.
  • the use of nanoparticles has the advantage that this contributes to a more homogeneous distribution of the particles in the aluminum matrix.
  • the particles comprising a metal boride dispersed in the aluminum matrix are spherical, non-spherical or mixtures thereof.
  • the particles comprising a metal boride dispersed throughout the aluminum matrix are a mixture of spherical and non-spherical particles.
  • a spherical particle has an aspect ratio of 1.0 to 1.1.
  • Non-spherical particles are present at an aspect ratio different from spherical particles, i. the aspect ratio of the non-spherical particles is not from 1.0 to 1.1.
  • the diameter of the particles preferably refers to the shorter dimension.
  • the particles comprising a metal boride are homogeneously distributed in the aluminum matrix.
  • a Homogeneous distribution has the particular advantage that the metal boride evenly reinforces and solidifies the aluminum matrix.
  • the particles comprising a metal boride may be inhomogeneously distributed in the aluminum matrix.
  • the metal matrix composite comprises the particles dispersed in the aluminum matrix comprising a metal boride in an amount of from 12 to 60 percent by weight based on the total weight of the metal matrix composite.
  • the metal matrix composite comprises the particles dispersed in the aluminum matrix comprising a metal boride in an amount of from 12 to 30 percent by weight based on the total weight of the metal matrix composite.
  • the particles distributed in the aluminum matrix, comprising a metal boride preferably comprise an MB 6 -type metal boride, where M denotes a metal cation.
  • M may be a metal cation selected from the group consisting of calcium cation and / or lanthanum cation.
  • the use of a MB 6 -type metal boride has the advantage that the metal matrix composite comprises boron in a high amount, in particular in an amount which is higher than the amount usually achieved with boron carbide (B 4 C) in corresponding materials.
  • the particles dispersed in the aluminum matrix comprise calcium hexaboride (CaB 6 ) and / or lanthanum hexaboride (LaB 6 ).
  • the particles distributed in the aluminum matrix therefore comprise calcium hexaboride (CaB 6 ) and lanthanum hexaboride (LaB 6 ).
  • the particles distributed in the aluminum matrix therefore comprise calcium hexaboride (CaB 6 ) or lanthanum hexaboride (LaB 6 ).
  • the particles distributed in the aluminum matrix comprise calcium hexaboride (CaB 6 ).
  • the particles dispersed in the aluminum matrix have a weight ratio of the isotopes 11 B to 10 B [ 11 B / 10 B] of 5: 1 to 3: 1.
  • the particles dispersed in the aluminum matrix have a weight ratio of isotopes 11 B to 10 B [ 11 B / 10 B] of about 4: 1.
  • the metal matrix composite material has a high heat resistance and thermal conductivity.
  • the metal matrix composite material has high heat resistance and heat conductivity over a period of more than 40 years, more preferably more than 50 years, and thus also has sufficient long-term durability.
  • the present invention also relates to a method of making such a metal matrix composite.
  • the metal matrix composite is preferably prepared by a method as described below.
  • the method according to the invention is suitable for the cost-effective and simple production of the abovementioned metal matrix composite material.
  • a requirement of the method according to the invention is that an aluminum master alloy comprising a metal which is suitable for forming a metal boride is provided.
  • the provision of an aluminum master alloy has the advantage that the metal can be homogeneously distributed in the aluminum matrix and thus a sufficient reaction with boron to the metal boride can be ensured. Furthermore, the provision of an aluminum master alloy offers the advantage that easy handling is ensured.
  • Aluminum master alloys comprising a metal capable of forming a metal boride are known and commercially available, for example, from KBM Affilips B.V., The Netherlands.
  • an aluminum master alloy comprising a metal capable of forming an MB 6 -type metal boride, wherein M denotes a metal cation, is provided.
  • an aluminum master alloy comprising a metal selected from calcium and / or lanthanum is provided.
  • an aluminum master alloy comprising a metal selected from calcium and lanthanum is provided.
  • an aluminum master alloy comprising a metal selected from calcium or lanthanum is provided.
  • the aluminum master alloy comprises calcium.
  • the aluminum master alloy comprises the metal capable of forming a metal boride in an amount of from 5 to 50 percent by weight based on the total weight of the aluminum master alloy.
  • the preparation of the aluminum master alloy is carried out according to the methods known in the prior art. For example, the mixing of the metal with the aluminum takes place in the melt. With the help of this step, the metal can be homogeneously distributed in the aluminum to obtain the metal matrix composite.
  • the aluminum master alloy comprising a metal capable of forming a metal boride is provided in ingot or wire form.
  • step b) an aluminum master alloy comprising boron is provided.
  • Aluminum precursors comprising boron are known in the art.
  • the aluminum master alloy comprises boron in an amount of 5 to 50% by weight, based on the total weight of the aluminum master alloy.
  • the preparation of the aluminum master alloy is carried out according to the methods known in the prior art. For example, boron is added to the aluminum in the melt. With this step, boron can be homogeneously distributed in the aluminum to obtain the metal matrix composite.
  • the aluminum master alloy comprising boron is provided in ingot or wire form.
  • step c) a further requirement of the method according to the invention is that the aluminum master alloys from step a) and b) are melted.
  • Melting may be accomplished by a variety of different heat sources known in the art. Usually, the melts are produced in step c) in an oven, burner or by a laser beam, an electron beam or an arc. However, it is also possible to use a chemical, exothermic reaction, or the melts are produced capacitively, conductively or inductively. Any combination of these heat sources is also useful for making the melts.
  • the melting of the aluminum master alloys in step c) preferably takes place at a temperature of at least 900 ° C., preferably in a temperature range from 900 to 1500 ° C.
  • step d) the aluminum melts from step c) are brought into contact at a temperature of at least 900 ° C.
  • the contacting of the melts takes place in step d) by mixing the aluminum melts.
  • the aluminum melts are homogeneously mixed.
  • the mixing of the aluminum melts can be carried out according to prior art methods.
  • the melt of the aluminum master alloy comprising a metal capable of forming a metal boride may be stirred into the melt of the aluminum master alloy comprising boron, or vice versa.
  • the contacting of the melts in step d) takes place at a temperature of at least 900 ° C.
  • the contacting of the melts in step d) takes place at a temperature of 900 to 1500 ° C.
  • the contacting of the melts in step d) takes place at a temperature of 900 to 1,300 ° C.
  • Contacting the melts in step d) at a temperature of at least 900 ° C has the advantage that the metal and boron directly in the melt form a stable highly boron-containing phase of a metal boride, which solidifies the aluminum matrix as a particulate phase.
  • the contacting of the melts in step d) can be carried out, for example, under air, inert gas or in vacuo.
  • the contacting of the melts in step d) is preferably carried out under protective gas.
  • step c) and step d) occur at the same temperature.
  • the contacting of the melts in step d) takes place immediately after step c), i. the contacting of the melts in step d) is carried out directly with the aluminum melts obtained in step c).
  • the method according to the invention is carried out between the method steps c) and d) without one or more further method steps.
  • the metal matrix composite obtained in step d) may be subjected to cooling.
  • the cooling of the metal matrix composite material obtained in step d) takes place at a temperature below the temperature used in step d).
  • the cooling of the obtained in step d) metal matrix composite material in a solid state for example, to a temperature of ⁇ 100 ° C, preferably at room temperature, ie a temperature of 10 to 28 ° C. Cooling down to a temperature of ⁇ 100 ° C is preferably carried out when the obtained metal matrix composite material comprises no further components as alloying element (s).
  • the metal matrix composite material obtained in step d) is preferably cooled to a temperature of ⁇ T liquidus of the alloy melt .
  • the alloying of the at least one further component is possible only in the melt.
  • the metal matrix composite obtained in step d) is therefore preferably cooled to a temperature between 750 ° C and T liquidus , more preferably to a temperature between 750 ° C and 850 ° C.
  • the cooling of the metal matrix composite material obtained in step d) to a temperature below the temperature used in step d) with a cooling rate, the ⁇ 1 K / sec, and preferably ⁇ 1 to 20 K / sec is.
  • a cooling rate the ⁇ 1 K / sec, and preferably ⁇ 1 to 20 K / sec.
  • a defined cooling of the metal matrix composite material can take place with the aid of cooling in agitated air.
  • the metal matrix composite material comprises at least one further component as alloying element (s)
  • this can be distributed after cooling of the metal matrix composite material to a temperature of ⁇ T liquidus in the melt of the metal matrix composite material.
  • the at least one further component is homogeneously distributed in the melt of the metal matrix composite material.
  • the distribution of the at least one further component in the melt of the metal matrix composite material can be carried out according to prior art methods.
  • the obtained metal matrix composite material can be subjected to a further cooling.
  • the metal matrix composite material is cooled to a solid state ( T ⁇ T solids ), preferably to a temperature of .ltoreq.100.degree.
  • T ⁇ T solids a solid state
  • the cooling of the metal matrix composite material is carried out to a temperature of ⁇ 100 ° C. with a cooling rate which is ⁇ 10 K / sec, and preferably ⁇ 10 to 20 K / sec.
  • the cooling of the metal matrix composite material to a temperature of ⁇ 100 ° C with a cooling rate in a range of ⁇ 20 K / sec or in a range of 20 K / sec to 1000 K / sec.
  • Such methods of cooling metal matrix composites are known in the art.
  • a defined cooling of the metal matrix composite material into a solid state can take place by means of cooling in agitated air or by quenching in water.
  • the cooling of the metal matrix composite material, after the at least one further component has been alloyed, takes place in a solid state ( T ⁇ T solids ) in the air.
  • the metal matrix composite material obtained in step d) can be subjected to further process steps.
  • the metal matrix composite material obtained in step d) may be subjected to a process selected from the group consisting of forging processes, casting processes, continuous casting processes, rolling processes and extrusion processes. These methods are known in the art.
  • the metal matrix composite obtained in step d) is subjected to a continuous casting process.
  • the metal matrix composite material obtained in step d) is preferably subjected to the further process step, preferably the continuous casting process, before cooling.
  • the metal matrix composite material obtained in step d) is preferably subjected to the further process step, for example the continuous casting process, after the at least one further component has been alloyed.
  • the obtained metal matrix composite material is preferably subjected to the further process step, for example the continuous casting process, after the at least one further component has been alloyed and before cooling.
  • the cooling of the obtained in step d) metal matrix composite material in a solid state (T ⁇ T solids ), for example, to a temperature of ⁇ 100 ° C, preferably at room temperature, ie a temperature of 10 to 28 ° C.
  • the obtained metal matrix composite material can be obtained in the form of ingots.
  • the metal matrix composite is preferably at a temperature between 750 ° C and T liquidus , more preferably to a temperature between 750 ° C and 850 ° C, heated. After heating the metal matrix composite to a temperature between 750 ° C. and T liquidus, it is possible to alloy the at least one further component as alloying element (e).
  • the metal matrix composite material thus obtained comprising at least one further component as alloying element (s), can subsequently be subjected to at least one further process step, for example the continuous casting process.
  • the continuous casting method has the advantage that the resulting metal matrix composite is cooled, for example, to a solid state (T ⁇ T so-lids ), preferably to a temperature of ⁇ 100 ° C, more preferably to room temperature, ie, a temperature of 10 to 28 ° C.
  • the obtained metal matrix composite material can then be subjected to a process selected from the group comprising forging processes, casting processes, continuous casting processes, rolling processes and extrusion processes, preferably extrusion processes, in a further process step. These methods are known in the art.
  • the present invention also relates to an article comprising the metal matrix composite. Due to the high boron content and thus its high amount of neutron scavenger, its high heat resistance and thermal conductivity and high long-term stability, the metal matrix composite material according to the invention is particularly suitable for the production of storage containers for radioactive (still weak) radiating nuclear fuel rods.
  • the article is therefore preferably a storage container for radioactive nuclear fuel rods.
  • the present invention also relates to the use of a Metal boride MB from 6 type in a storage container for radioactive radiating nuclear fuel rods.
  • the metal boride is preferably in the form of nanoparticles.
  • the particles preferably have a diameter in a range of 10 to 100,000 nm.
  • the particles have a diameter in a range of 15 to 10,000 nm, more preferably 20 to 5,000 nm, and most preferably 25 to 1,000 nm ,
  • the particles of the metal boride are spherical, non-spherical or mixtures thereof.
  • the particles of the metal boride are a mixture of spherical and non-spherical particles.
  • the particles of the metal boride are homogeneously distributed in the aluminum matrix.
  • the particles of metal boride may be inhomogeneously distributed in the aluminum matrix.
  • the metal matrix composite comprises the metal boride in an amount of from 12 to 60 percent by weight based on the total weight of the metal matrix composite.
  • the metal matrix composite comprises the metal boride in an amount of 12 to 30 weight percent, based on the total weight of the metal matrix composite.
  • the metal boride is a MB 6 -type metal boride, where M denotes a metal cation.
  • M may be a metal selected from the group consisting of calcium and / or lanthanum.
  • the use of MB 6 -type metal boride has the advantage that the metal matrix composite comprises boron in a high amount, in particular in an amount which is higher than the amount usually achieved with boron carbide (B 4 C) in corresponding materials, and thus provides a high amount of "neutron scavenger".
  • the metal boride is calcium hexaboride (CaB 6 ) and / or lanthanum hexaboride (LaB 6 ).
  • the metal boride is calcium hexaboride (CaB 6 ) and lanthanum hexaboride (LaB 6 ).
  • the metal boride is calcium hexaboride (CaB 6 ) or lanthanum hexaboride (LaB 6 ).
  • the metal boride is calcium hexaboride (CaB 6 ).
  • the metal boride has a weight ratio of isotopes 11 B to 10 B [ 11 B / 10 B] of 5: 1 to 3: 1.
  • the metal boride has a weight ratio of the isotopes 11 B to 10 B [ 11 B / 10 B] of about 4: 1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff umfassend eine Aluminiummatrix, und in der Aluminiummatrix verteilte Partikel umfassend ein Metallborid, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, sowie ein Artikel umfassend einen solchen Metallmatrix-Verbundwerkstoff und die Verwendung eines Metallborids vom MB 6 -Typ in einem Lagerungsbehälter für radioaktiv strahlende Kernbrennstäbe.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff umfassend eine Aluminiummatrix, und in der Aluminiummatrix verteilte Partikel umfassend ein Metallborid, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, sowie ein Artikel umfassend einen solchen Metallmatrix-Verbundwerkstoff und die Verwendung eines Metallborids vom MB6-Typ in einem Lagerungsbehälter für radioaktiv strahlende Kernbrennstäbe.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Metallmatrix-Verbundwerkstoffe umfassend Metallboride werden häufig zur Herstellung von Lagerungsbehälter für radioaktiv (noch schwach) strahlende Kernbrennstäbe verwendet. Insbesondere Metallboride vom MB4-Typ, wie Borcarbid (B4C), werden derzeit in Aluminium-Legierungen eingesetzt. Dazu werden die Aluminium-Legierungen mit pulverförmigem Borcarbid (B4C) versetzt, abgegossen und extrudiert bzw. ausgewalzt. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2011 120 988 A1 ein flächiges Halbzeug aus einer Aluminiummatrixverbundlegierung mit Partikeln aus Borcarbid. Die Verwendung von Borcarbid bietet den Vorteil, dass eine gewisse Menge Bor als Neutronen-Fänger bereitgestellt werden kann.
  • Da es nach wie vor weltweit keine Endlager für abgebrannte Kernbrennstäbe gibt, werden die Sicherheitsanforderungen für entsprechende Lagerungsbehälter von den Firmen, die die Kernbrennstäbe nach der Verwendung lagern müssen, immer weiter hoch gesetzt. So muss der Werkstoff, der zur Herstellung der Lagerungsbehälter verwendet wird, insbesondere eine immer höhere Mindestmenge an Bor als Neutronen-Fänger enthalten. Darüber hinaus entsteht bei Ausfall der Wasserkühlung eine nicht unwesentliche Menge an Wärme, so dass der Werkstoff zusätzlich eine gewisse Warmfestigkeit aufweisen bzw. die entstehende Wärme gut abtransportieren muss. Diese Werkstoffeigenschaften müssen dazu noch für mindestens 40 Jahre, bevorzugter 50 Jahre, nachgewiesen werden. Weiter müssen die neuen Werkstoffe rigiden Kostenvorgaben gereicht werden.
  • Es besteht daher weiterhin ein Bedarf an Werkstoffen, die zur Herstellung von Lagerungsbehältern verwendet werden können, und die eine hohe Menge an Bor enthalten, eine hohe Warmfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit bei einer ausreichenden Langzeitbeständigkeit aufweisen sowie kostengünstig und einfach herzustellen sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Werkstoff zur Verfügung zu stellen, der als Material zur Herstellung von Lagerungsbehälter für radioaktiv (noch schwach) strahlende Kernbrennstäbe geeignet ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Werkstoff zur Verfügung zu stellen, der eine hohe Menge an Bor enthält, insbesondere eine Menge die höher ist als die Menge, die üblicherweise mit Borcarbid (B4C) erzielt wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, dass der Werkstoff eine hohe Warmfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ferner ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass der Werkstoff eine ausreichende Langzeitbeständigkeit aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, dass der Werkstoff kostengünstig und einfach herzustellen ist.
  • Diese Aufgaben werden durch die in den Ansprüchen definierten Gegenstände gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff umfassend
    1. a) eine Aluminiummatrix, und
    2. b) in der Aluminiummatrix verteilte Partikel umfassend ein Metallborid, wobei der Metallmatrix-Verbundwerkstoff das Metall-Kation in einer Menge
    von 2 bis 20 Gew.-%, und Borid in einer Menge von 10 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, umfasst.
  • Der erfindungsgemäße Metallmatrix-Verbundwerkstoff ist als Material zur Herstellung von Lagerungsbehälter für radioaktiv strahlende Kernbrennstäbe geeignet. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine hohe Menge an Bor enthält, insbesondere eine Menge, die höher ist als die Menge die üblicherweise mit Borcarbid (B4C) erzielt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine hohe Warmfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine ausreichende Langzeitbeständigkeit aufweist. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff kostengünstig und einfach herzustellen ist.
  • Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix als weitere Komponente mindestens eine Komponente ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon umfasst.
  • Beispielsweise umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff die Aluminiummatrix in einer Menge von 40 bis 88 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes.
  • Beispielsweise weist die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel umfassend ein Metallborid ein Gewichtsverhältnis der Isotopen 11B zu 10B [11B/10B] von 5:1 bis 3:1 auf.
  • Beispielsweise umfasst die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel ein Metallborid vom MB6-Typ, wobei M ein Metall-Kation bezeichnet.
  • Beispielsweise umfassen die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel Calcium-Hexaborid (CaB6) und/oder Lanthan-Hexaborid (LaB6),
  • Beispielsweise stellen die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel Nanopartikel mit einem Durchmesser von 10 bis 100 000 nm dar.
  • Beispielsweise weist der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 160 Wm-1K-1, bestimmt gemäß ISO 25239-1:2011, und/oder eine Festigkeit von mindestens 117 N/mm2 bei einer Temperatur von 375 °C, bestimmt gemäß ISO 527-2, auf.
  • Beispielsweise wird der Metallmatrix-Verbundwerkstoff durch das hierin beschriebene Verfahren erhalten.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes zur Verfügung. Das Verfahren umfasst
    1. a) Bereitstellen einer Aluminium-Vorlegierung umfassend ein Metall, das geeignet ist ein Metallborid zu bilden, wie hierin definiert,
    2. b) Bereitstellen einer Aluminium-Vorlegierung umfassend Bor,
    3. c) Schmelzen der Aluminium-Vorlegierungen aus Schritt a) und b),
    4. d) Inkontaktbringen der Aluminiumschmelzen aus Schritt c) bei einer Temperatur von mindestens 900 °C zur Herstellung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes.
  • Beispielsweise erfolgt das Inkontaktbringen in Schritt d) bei einer Temperatur von 900 °C bis 1 500 °C.
  • Beispielsweise wird der in Schritt d) erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff auf eine Temperatur unterhalb der in Schritt d) eingesetzten Temperatur abgekühlt.
  • Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung einen Artikel, vorzugsweise ein Lagerungsbehälter für radioaktiv strahlende Kernbrennstäbe, umfassend den Metallmatrix-Verbundwerkstoff, wie hierin definiert.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Metallborids vom MB6-Typ in einem Lagerungsbehälter für radioaktiv strahlende Kernbrennstäbe.
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff umfassend
    1. a) eine Aluminiummatrix, und
    2. b) in der Aluminiummatrix verteilte Partikel umfassend ein Metallborid, wobei der Metallmatrix-Verbundwerkstoff das Metall-Kation in einer Menge
    von 2 bis 20 Gew.-%, und Borid in einer Menge von 10 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, umfasst.
  • Ein Erfordernis der vorliegenden Erfindung ist demnach, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Aluminiummatrix umfasst. Die Verwendung einer Aluminiummatrix ist vorteilhaft, da diese ein geringes Gewicht aufweist und somit zu einem geringeren Gesamtgewicht des Artikels, insbesondere des Lagerungsbehälters für radioaktiv strahlende Kernbrennstäbe, beiträgt. Ferner weist die Aluminiummatrix eine gute Wärmeleitfähigkeit auf.
  • Die Aluminiummatrix kann im Wesentlichen aus Aluminium bestehen.
  • Alternativ umfasst die Aluminiummatrix mindestens eine weitere Komponente als Legierungselement(e).
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Aluminiummatrix als weitere Komponente mindestens eine Komponente ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon.
  • Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix als weitere Komponente eine Komponente ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) oder Lanthan (La).
  • Alternativ umfasst die Aluminiummatrix als weitere Komponente mindestens zwei Komponenten, beispielsweise zwei Komponenten, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) oder Lanthan (La).
  • Alternativ umfasst die Aluminiummatrix als weitere Komponente mindestens drei Komponenten, beispielsweise drei oder vier Komponenten, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) oder Lanthan (La).
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Aluminiummatrix als weitere Komponente mindestens eine Komponente, beispielsweise eine, zwei oder drei oder vier Komponenten, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Zirkon (Zr) und Eisen (Fe). Vorzugsweise umfasst die Aluminiummatrix als weitere Komponente drei oder vier Komponenten ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Zirkon (Zr) und Eisen (Fe).
  • Umfasst die Aluminiummatrix eine weitere Komponente als Legierungselement, umfasst die Aluminiummatrix beispielsweise Scandium (Sc) oder Kupfer (Cu).
  • Umfasst die Aluminiummatrix zwei weitere Komponenten als Legierunselemente, umfasst die Aluminiummatrix beispielsweise Scandium (Sc) und Kupfer (Cu). Alternativ kann die Aluminiummatrix beispielsweise Silicium (Si) und Magnesium (Mg) umfassen, wenn die Aluminiummatrix zwei weitere Komponenten als Legierunselemente umfasst.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Aluminiummatrix beispielsweise Scandium (Sc) und Zirkon (Zr), wenn die Aluminiummatrix zwei weitere Komponenten als Legierunselemente umfasst.
  • Die Aluminiummatrix umfasst Aluminium (Al) und die mindestens eine Komponente, beispielsweise eine, zwei oder drei oder vier Komponenten, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon, vorzugsweise in einer Menge von insgesamt mindestens 90.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix Aluminium (Al) und die mindestens eine Komponente, beispielsweise eine, zwei oder drei oder vier Komponenten, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon, vorzugsweise in einer Menge von insgesamt mindestens 92.0 Gew.-%, bevorzugt von insgesamt mindestens 95.0 Gew.-% und am meisten bevorzugt von insgesamt mindestens 96.0 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Aluminiummatrix Aluminium (Al) und die mindestens eine Komponente, beispielsweise eine, zwei oder drei oder vier Komponenten, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon, vorzugsweise in einer Menge von insgesamt mindestens 97.0 Gew.-%, bevorzugt von insgesamt mindestens 98.0 Gew.-%, weiter bevorzugt von insgesamt mindestens 99.0 Gew.-% und am meisten bevorzugt von insgesamt mindestens 99.5 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Aluminiummatrix Aluminium (Al) und die mindestens eine Komponente, beispielsweise eine, zwei oder drei oder vier Komponenten, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon, vorzugsweise insgesamt in einer Menge von 98.0 bis 100.0 Gew.-% oder insgesamt in einer Menge von 98.0 bis 99.99 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix Aluminium (Al) und die mindestens eine Komponente, beispielsweise eine, zwei oder drei oder vier Komponenten, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon, vorzugsweise insgesamt in einer Menge von 98.0 bis 99.95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Aluminiummatrix Aluminium (Al) und die mindestens eine Komponente, beispielsweise eine, zwei oder drei oder vier Komponenten, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon, vorzugsweise insgesamt in einer Menge von 99.0 bis 99.95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Alternativ umfasst die Aluminiummatrix Aluminium (Al) und die mindestens eine Komponente, beispielsweise eine, zwei oder drei oder vier Komponenten, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon, vorzugsweise insgesamt in einer Menge von 99.5 bis 99.95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix.
  • Die Aluminiummatrix kann einen die 100.0 Gew.-% ausgleichenden Anteil an Verunreinigungen aufweisen.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Aluminiummatrix die mindestens eine Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon, in einer Menge von 0.1 bis 35.0 Gew.-% pro Element, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix die mindestens eine Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb),
  • Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon, in einer Menge von 0.1 bis 27.0 Gew.-% pro Element, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix.
  • Zusätzlich oder alternativ umfasst die Aluminiummatrix die mindestens eine Komponente, beispielsweise zwei oder drei oder vier Komponenten, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon, in einer Menge von 0.5 bis 40.0 Gew.-% in Summe, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix die mindestens eine Komponente, beispielsweise zwei oder drei oder vier Komponenten, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon, in einer Menge von 1.0 bis 30.0 Gew.-% in Summe, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Aluminiummatrix Aluminium (Al) in einer Menge von 60.0 bis 99.95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix Aluminium (Al) in einer Menge von 70.0 bis 99.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix.
  • Um einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff mit hoher Festigkeit zu erhalten, ist es vorteilhaft, dass die Aluminiummatrix mindestens eine weitere Komponente, beispielsweise zwei oder drei oder vier Komponenten, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Zirkon (Zr) und Eisen (Fe) in einer bestimmten Menge umfasst. Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix die mindestens eine weitere Komponente, beispielsweise zwei oder drei oder vier Komponenten, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Zirkon (Zr) und Eisen (Fe) in einer Menge von 0.5 bis 40.0 Gew.-% in Summe, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Aluminiummatrix die mindestens eine weitere Komponente, beispielsweise zwei oder drei oder vier Komponenten, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Zirkon (Zr) und Eisen (Fe) in einer Menge von 1.0 bis 30.0 Gew.-% in Summe, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix.
  • Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix Silicium (Si) in einer Menge von mehr als 8.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Aluminiummatrix Silicium (Si) in einer Menge von 8.0 bis 30.0 Gew.-%, bevorzugt in einer Menge von 10.0 bis 30.0 Gew.-%, weiter bevorzugt in einer Menge von 10.0 bis 27.0 Gew.-% und am meisten bevorzugt in einer Menge von 11.0 bis 26.0 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Die Zumischung von Silicium (Si) hat insbesondere den Vorteil, dass es zur Verbesserung der Wärmefestigkeit beiträgt.
  • Zusätzlich oder alternativ umfasst die Aluminiummatrix Scandium (Sc) in einer Menge von 0.1 bis 1.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix Scandium (Sc) in einer Menge von 0.1 bis 0.8 Gew.-% und bevorzugt in einer Menge von 0.1 bis 0.6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Die Zumischung von Scandium (Sc) hat insbesondere den Vorteil, dass es zur Verbesserung sowohl der Raumtemperaturfestigkeit als auch der Festigkeit bei höheren Temperaturen (Warmfestigkeit) beiträgt. Darüber hinaus verbessert Scandium (Sc) die Kriechfestigkeit der Aluminiummatrix und somit auch des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes. Zusätzlich kann die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden.
  • Zusätzlich oder alternativ umfasst die Aluminiummatrix Kupfer (Cu) in einer Menge von 0.5 bis 5.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix Kupfer (Cu) in einer Menge von 0.8 bis 5.0 Gew.-% und bevorzugt in einer Menge von 1.0 bis 2.5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Die Zumischung von Kupfer (Cu) hat insbesondere den Vorteil, dass es zur Verbesserung sowohl der Raumtemperaturfestigkeit als auch der Festigkeit bei höheren Temperaturen (Warmfestigkeit) beiträgt. Zusätzlich kann die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden.
  • Zusätzlich oder alternativ umfasst die Aluminiummatrix Zirkon (Zr) in einer Menge von 0.1 bis 5.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix Zirkon (Zr) in einer Menge von 0.2 bis 3.0 Gew.-% und bevorzugt in einer Menge von 0.3 bis 2.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Die Zumischung von Zirkon (Zr) hat insbesondere den Vorteil, dass es zur Verbesserung sowohl der Raumtemperaturfestigkeit als auch der Festigkeit bei höheren Temperaturen (Warmfestigkeit) beiträgt. Zusätzlich kann die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Aluminiummatrix, Magnesium (Mg) in einer Menge von 0.5 bis 2.5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Beispielsweise umfasst die AluminiummatrixMagnesium (Mg) in einer Menge von 0.5 bis 2.0 Gew.-% und bevorzugt in einer Menge von 0.8 bis 1.5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Die Zumischung von Magnesium (Mg) hat insbesondere den Vorteil, dass die spezifische Dichte verringert wird.
  • Zusätzlich oder alternativ umfasst die Aluminiummatrix Nickel (Ni) in einer Menge von 0.5 bis 4.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix Nickel (Ni) in einer Menge von 0.5 bis 3.0 Gew.-% und bevorzugt in einer Menge von 0.8 bis 2.5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Die Zulegierung von Nickel (Ni) hat insbesondere den Vorteil, dass die thermische Stabilität und Festigkeit verbessert wird.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Aluminiummatrix Eisen (Fe) in einer Menge von 1.0 bis 8.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix Eisen (Fe) in einer Menge von 2.0 bis 7.0 Gew.-% und bevorzugt in einer Menge von 4.0 bis 6.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix. Die Zulegierung von Eisen (Fe) hat insbesondere den Vorteil, dass die thermische Stabilität und Festigkeit verbessert wird.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Aluminium (Al), Scandium (Sc) und Kupfer (Cu) als Matrixkomponenten. Noch bevorzugter umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Scandium (Sc) in einer Menge von 0.1 bis 0.5 Gew.-%, beispielsweise von 0.1 bis 0.3 Gew.-%, Kupfer (Cu) in einer Menge von 1.0 bis 2.5 Gew.-%, beispielsweise von 1.5 bis 2.2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix, und einen die 100.0 Gew.-% ausgleichenden Anteil an Aluminium. Beispielsweise umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Scandium (Sc) in einer Menge von 0.1 bis 0.5 Gew.-%, beispielsweise von 0.1 bis 0.3 Gew.-%, Kupfer (Cu) in einer Menge von 1.0 bis 2.5 Gew.-%, beispielsweise von 1.5 bis 2.2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix, und einen die 100.0 Gew.-% ausgleichenden Anteil an Aluminium mit Verunreinigungsspuren.
  • In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Silicium (Si) als Matrixkomponenten. Noch bevorzugter umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Magnesium (Mg) in einer Menge von 0.5 bis 2.0 Gew.-%, beispielsweise von 0.8 bis 1.5 Gew.-%, Silicium (Si) in einer Menge von 10.0 bis 27.0 Gew.-%, beispielsweise von 11.0 bis 26.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix, und einen die 100.0 Gew.-% ausgleichenden Anteil an Aluminium. Beispielsweise umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Magnesium (Mg) in einer Menge von 0.5 bis 2.0 Gew.-%, beispielsweise von 0.8 bis 1.5 Gew.-%, Silicium (Si) in einer Menge von 10.0 bis 27.0 Gew.-%, beispielsweise von 11.0 bis 26.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix, und einen die 100.0 Gew.-% ausgleichenden Anteil an Aluminium mit Verunreinigungsspuren.
  • Alternativ umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Aluminium (Al) und Scandium (Sc) als Matrixkomponenten. Noch bevorzugter umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Scandium (Sc) in einer Menge von 0.1 bis 1.0 Gew.-%, beispielsweise von 0.1 bis 0.8 Gew.-% oder von 0.1 bis 0.6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix, und einen die 100.0 Gew.-% ausgleichenden Anteil an Aluminium. Beispielsweise umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Scandium (Sc) in einer Menge von 0.1 bis 1.0 Gew.-%, beispielsweise von 0.1 bis 0.8 Gew.-% oder von 0.1 bis 0.6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix, und einen die 100.0 Gew.-% ausgleichenden Anteil an Aluminium mit Verunreinigungsspuren.
  • In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Aluminium (Al), Scandium (Sc) und Zirkon (Zr) als Matrixkomponenten. Noch bevorzugter umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Scandium (Sc) in einer Menge von 0.1 bis 1.0 Gew.-%, beispielsweise von 0.1 bis 0.8 Gew.-% oder von 0.1 bis 0.6 Gew.-%, und Zirkon (Zr) in einer Menge von 0.1 bis 5.0 Gew.-%, beispielsweise von 0.2 bis 3.0 Gew.-% oder von 0.3 bis 2.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix, und einen die 100.0 Gew.-% ausgleichenden Anteil an Aluminium. Beispielsweise umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Scandium (Sc) in einer Menge von 0.1 bis 1.0 Gew.-%, beispielsweise von 0.1 bis 0.8 Gew.-% oder von 0.1 bis 0.6 Gew.-%, und Zirkon (Zr) in einer Menge von 0.1 bis 5.0 Gew.-%, beispielsweise von 0.2 bis 3.0 Gew.-% oder von 0.3 bis 2.0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix, und einen die 100.0 Gew.-% ausgleichenden Anteil an Aluminium mit Verunreinigungsspuren.
  • In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Aluminium (Al) und Kupfer (Cu) als Matrixkomponenten. Noch bevorzugter umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Kupfer (Cu) in einer Menge von 0.5 bis 5.0 Gew.-%, beispielsweise von 0.8 bis 5.0 Gew.-% oder von 1.0 bis 2.5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix, und einen die 100.0 Gew.-% ausgleichenden Anteil an Aluminium. Beispielsweise umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Kupfer (Cu) in einer Menge von 0.5 bis 5.0 Gew.-%, beispielsweise von 0.8 bis 5.0 Gew.-% oder von 1.0 bis 2.5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiummatrix, und einen die 100.0 Gew.-% ausgleichenden Anteil an Aluminium mit Verunreinigungsspuren.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Matrix umfassend, vorzugsweise bestehend aus, Aluminium (Al) und mindenstens einer weiteren Komponente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Kupfer (Cu), Silicium (Si), Zirkon (Zr) und Nickel (Ni).
  • Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff umfasst die Aluminiummatrix vorzugsweise in einer Menge von 40 bis 88 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes. Beispielsweise umfasst die Aluminiummatrix vorzugsweise in einer Menge von 70 bis 88 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metall matrix-Verbu ndwerkstoffes.
  • Ein weiteres Erfordernis der vorliegenden Erfindung ist insbesondere, dass Partikel umfassend ein Metallborid in der Aluminiummatrix verteilt sind.
  • Dabei ist weiter erforderlich, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff das Metallborid in einer bestimmten Menge umfasst um eine hohe Menge an Bor und damit eine hohe Menge an "Neutronen-Fänger" in dem Werkstoff zu gewährleisten. Dabei ist die Menge an Bor insbesondere höher als die Menge, die üblicherweise mit Borcarbid (B4C) in entsprechenden Werkstoffen erzielt wird.
  • Ein Erfordernis der vorliegenden Erfindung ist daher, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff das Metall-Kation in einer Menge von 2 bis 20 Gew.-%, und Borid in einer Menge von 10 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, umfasst.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff das Metall-Kation in einer Menge von 2 bis 10 Gew.-%, und Borid in einer Menge von 10 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes.
  • Die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel umfassend ein Metallborid stellen vorzusweise Nanopartikel dar.
  • Unter "Nanopartikel" sind gemäß der vorliegenden Erfindung Partikel mit Teilchengrößen im Nanometer- bis in den unteren Mikrometerbereich zu verstehen. In einer Ausführungsform umfassen die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel umfassend ein Metallborid Partikel mit einem Durchmesser in einem Bereich von 10 bis 100 000 nm. Beispielsweise umfassen die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel umfassend ein Metallborid Partikel mit einem Durchmesser in einem Bereich von 15 bis 10 000 nm, weiter bevorzugt von 20 bis 5 000 nm und am meisten bevorzugt von 25 bis 1 000 nm aufweisen. Die Verwendung von Nanopartikeln hat den Vorteil, dass dies zu einer homogeneren Verteilung der Partikel in der Aluminiummatrix beiträgt.
  • Beispielsweise sind die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel umfassend ein Metallborid sphärisch, nicht-sphärisch oder Mischungen hiervon.
  • Vorzugsweise stellen die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel umfassend ein Metallborid eine Mischung aus sphärischen und nicht-sphärischen Partikeln dar.
  • Ein sphärischer Partikel hat ein Aspektverhältnis von 1.0 bis 1.1. Nicht-sphärische Partikel liegen bei einem Aspektverhältnis vor, der sich von sphärischen Partikeln unterscheidet, d.h. das Aspektverhältnis der nicht-sphärischen Partikel ist nicht von 1.0 bis 1.1. Liegen die Partikel umfassend ein Metallborid als nicht-sphärische Partikel vor, bezieht sich der Durchmesser der Partikel vorzugsweise auf die kürzere Dimension.
  • Für den Metallmatrix-Verbundwerkstoff ist es besonders vorteilhaft, wenn die Partikel umfassend ein Metallborid homogen in der Aluminiummatrix verteilt sind. Eine homogene Verteilung hat insbesondere den Vorteil, dass das Metallborid die Aluminiummatrix gleichmäßig verstärkt und verfestigt.
  • Alternativ können die Partikel umfassend ein Metallborid inhomogen in der Aluminiummatrix verteilt sein.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel umfassend ein Metallborid in einer Menge von 12 bis 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes. Beispielsweise umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel umfassend ein Metallborid in einer Menge von 12 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes.
  • Dabei umfassen die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel umfassend ein Metallborid vorzugsweise ein Metallborid vom MB6-Typ, wobei M ein Metall-Kation bezeichnet. Beispielsweise kann M ein Metall-Kation ausgewählt aus der Gruppe umfassend Calcium-Kation und/oder Lanthan-Kation sein. Die Verwendung eines Metallborids vom MB6-Typ hat den Vorteil, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff Bor in einer hohen Menge umfasst, insbesondere in einer Menge die höher ist als die Menge die üblicherweise mit Borcarbid (B4C) in entsprechenden Werkstoffen erzielt wird.
  • In einer Ausführungsform umfassen die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel daher Calcium-Hexaborid (CaB6) und/oder Lanthan-Hexaborid (LaB6).
  • Beispielsweise umfassen die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel daher Calcium-Hexaborid (CaB6) und Lanthan-Hexaborid (LaB6). Alternativ umfassen die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel daher Calcium-Hexaborid (CaB6) oder Lanthan-Hexaborid (LaB6).
  • Vorzugsweise umfassen die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel daher Calcium-Hexaborid (CaB6).
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel ein Gewichtsverhältnis der Isotopen 11B zu 10B [11B/10B] von 5:1 bis 3:1 auf. Beispielsweise weisen die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel ein Gewichtsverhältnis der Isotopen 11B zu 10B [11B/10B] von etwa 4:1 auf.
  • Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff weist insbesondere eine hohe Warmfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf.
  • In einer Ausführungsform weist der Metallmatrix-Verbundwerkstoff
    1. a) eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 160 Wm-1K-1, bestimmt gemäß ISO 25239-1:2011, und/oder
    2. b) eine Festigkeit von mindestens 117 N/mm2 bei einer Temperatur von 375 °C, bestimmt gemäß ISO 527-2, auf.
  • Vorzugsweise weist der Metallmatrix-Verbundwerkstoff
    1. a) eine Wärmeleitfähigkeit von 160 bis 250 Wm-1K-1, vorzugsweise von 160 bis 200 Wm-1K-1, bestimmt gemäß ISO 25239-1:2011, und/oder
    2. b) eine Festigkeit von 117 bis 200 N/mm2, vorzugsweise von 117 bis 150 N/mm2, bei einer Temperatur von 375 °C, bestimmt gemäß ISO 527-2, auf.
  • Beispielsweise weist der Metallmatrix-Verbundwerkstoff
    1. a) eine Wärmeleitfähigkeit von 160 bis 250 Wm-1K-1, vorzugsweise von 160 bis 200 Wm-1K-1, bestimmt gemäß ISO 25239-1:2011, oder
    2. b) eine Festigkeit von 117 bis 200 N/mm2, vorzugsweise von 117 bis 150 N/mm2, bei einer Temperatur von 375 °C, bestimmt gemäß ISO 527-2, auf.
  • In einer alternativen Ausführungsform weist der Metallmatrix-Verbundwerkstoff
    1. a) eine Wärmeleitfähigkeit von 160 bis 250 Wm-1K-1, vorzugsweise von 160 bis 200 Wm-1K-1, bestimmt gemäß ISO 25239-1:2011, und
    2. b) eine Festigkeit von 117 bis 200 N/mm2, vorzugsweise von 117 bis 150 N/mm2, bei einer Temperatur von 375 °C, bestimmt gemäß ISO 527-2, auf.
  • Darüber hinaus weist der Metallmatrix-Verbundwerkstoff die hohe Warmfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit über einen Zeitraum von mehr als 40 Jahren, noch bevorzugter mehr als 50 Jahren auf und hat somit auch eine ausreichende Langzeitbeständigkeit.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Metallmatrix-Verbundwerkstoffes. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff wird vorzugsweise durch ein Verfahren, wie nachfolgend beschrieben, hergestellt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, wie vorstehend beschrieben, umfasst mindestens die Schritte:
    1. a) Bereitstellen einer Aluminium-Vorlegierung umfassend ein Metall, das geeignet ist ein Metallborid zu bilden, wie hierin definiert,
    2. b) Bereitstellen einer Aluminium-Vorlegierung umfassend Bor,
    3. c) Schmelzen der Aluminium-Vorlegierungen aus Schritt a) und b),
    4. d) Inkontaktbringen der Aluminiumschmelzen aus Schritt c) bei einer Temperatur von mindestens 900 °C zur Herstellung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur kostengünstigen und einfachen Herstellung des oben-genannten Metallmatrix-Verbundwerkstoffes.
  • Gemäß Schritt a) ist somit ein Erfordernis des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass eine Aluminium-Vorlegierung umfassend ein Metall, das geeignet ist ein Metallborid zu bilden, bereitgestellt wird. Das Bereitstellen einer Aluminium-Vorlegierung hat den Vorteil, dass das Metall homogen in der Aluminiummatrix verteilt werden kann und so eine ausreichende Reaktion mit Bor zum Metallborid gewährleistet werden kann. Ferner bietet die Bereitstellung einer Aluminium-Vorlegierung den Vorteil, dass eine einfach Handhabung gewährleistet ist.
  • Aluminium-Vorlegierungen umfassend ein Metall, das geeignet ist ein Metallborid zu bilden, sind bekannt und beispielsweise kommerziell erhältlich von KBM Affilips B.V., The Netherlands.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Aluminium-Vorlegierung umfassend ein Metall bereitgestellt, das geeignet ist ein Metallborid vom MB6-Typ zu bilden, wobei M ein Metall-Kation bezeichnet.
  • Beispielsweise wird eine Aluminium-Vorlegierung umfassend ein Metall ausgewählt aus Calcium und/oder Lanthan bereitgestellt.
  • In einer Ausführungsform wird eine Aluminium-Vorlegierung umfassend ein Metall ausgewählt aus Calcium und Lanthan bereitgestellt. Alternativ wird eine Aluminium-Vorlegierung umfassend ein Metall ausgewählt aus Calcium oder Lanthan bereitgestellt. Vorzugsweise umfasst die Aluminium-Vorlegierung Calcium.
  • Üblicherweise umfasst die Aluminium-Vorlegierung das Metall, das geeignet ist ein Metallborid zu bilden, in einer Menge von 5 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminium-Vorlegierung.
  • Bzgl. des Metallborids und des Metalls wird auf die obigen Definitionen mit Bezug auf das Metallborid und deren Ausführungsformen verwiesen.
  • Die Herstellung der Aluminium-Vorlegierung erfolgt nach den im Stand der Technik bekannten Verfahren. Beispielsweise erfolgt das Zumischen von des Metalls zu dem Aluminium in der Schmelze. Mit Hilfe dieses Schrittes kann das Metallhomogen in dem Aluminium verteilt werden um den Metallmatrix-Verbundwerkstoff zu erhalten.
  • Typischerweise wird die Aluminium-Vorlegierung umfassend ein Metall, das geeignet ist ein Metallborid zu bilden, in Massel- oder Drahtform bereitgestellt.
  • Ein weiteres Erfordernis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass gemäß Schritt b) eine Aluminium-Vorlegierung umfassend Bor bereitgestellt wird.
  • Aluminium-Vorfegierungen umfassend Bor sind im Stand der Technik bekannt.
  • Üblicherweise umfasst die Aluminium-Vorlegierung Bor in einer Menge von 5 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminium-Vorlegierung. Die Herstellung der Aluminium-Vorlegierung erfolgt nach den im Stand der Technik bekannten Verfahren. Beispielsweise erfolgt das Zumischen von Bor zu dem Aluminium in der Schmelze. Mit Hilfe dieses Schrittes kann Bor homogen in dem Aluminium verteilt werden um den Metallmatrix-Verbundwerkstoff zu erhalten.
  • Typischerweise wird die Aluminium-Vorlegierung umfassend Bor in Massel- oder Drahtform bereitgestellt.
  • Gemäß Schritt c) ist ein weiteres Erfordernis des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die Aluminium-Vorlegierungen aus Schritt a) und b) geschmolzen werden. Die Herstellung der Schmelzen kann durch eine Vielzahl unterschiedlicher Wärmequellen erfolgen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Üblicherweise erfolgt die Herstellung der Schmelzen in Schritt c) in einem Ofen, Brenner oder durch einen Laserstahl, einen Elektronenstrahl oder einen Lichtbogen. Es kann aber auch eine chemische, exotherme Reaktion verwendet werden, oder die Herstellung der Schmelzen erfolgt kapazitiv, konduktiv oder induktiv. Auch eine beliebige Kombination dieser Wärmequellen ist zur Herstellung der Schmelzen verwendbar.
  • Vorzugsweise erfolgt das Schmelzen der Aluminium-Vorlegierungen in Schritt c) bei einer Temperatur von mindestens 900 °C, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 900 bis 1 500°C.
  • Ein weiteres Erfordernis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, das gemäß Schritt d) die Aluminiumschmelzen aus Schritt c) bei einer Temperatur von mindestens 900 °C in Kontakt gebracht werden.
  • Vorzugsweise erfolgt das Inkontaktbringen der Schmelzen in Schritt d) indem die Aluminiumschmelzen vermischt werden. Beispielsweise werden die Aluminiumschmelzen homogen vermischt. Das Vermischen der Aluminiumschmelzen kann nach Verfahren aus dem Stand der Technik erfolgen. Beispielsweise kann die Schmelze der Aluminium-Vorlegierung umfassend ein Metall, das geeignet ist ein Metallborid zu bilden, in die Schmelze der Aluminium-Vorlegierung umfassend Bor gerührt werden, oder umgekehrt.
  • Das Inkontaktbringen der Schmelzen in Schritt d) erfolgt bei einer Temperatur von mindestens 900 °C. Vorzugsweise erfolgt das Inkontaktbringen der Schmelzen in Schritt d) bei einer Temperatur von 900 bis 1 500 °C. Beispielsweise erfolgt das Inkontaktbringen der Schmelzen in Schritt d) bei einer Temperatur von 900 bis 1 300 °C. Das Inkontaktbringen der Schmelzen in Schritt d) bei einer Temperatur von mindestens 900 °C hat den Vorteil, dass das Metall und Bor direkt in der Schmelze eine stabile hoch Bor-haltige Phase eines Metallborids bilden, die als partikuläre Phase die Aluminiummatrix verfestigt.
  • Das Inkontaktbringen der Schmelzen in Schritt d) kann beispielsweise unter Luft, Schutzgas oder im Vakuum erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Inkontaktbringen der Schmelzen in Schritt d) unter Schutzgas.
  • In einer Ausführungsform erfolgen Schritt c) und Schritt d) bei der gleichen Temperatur.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das Inkontaktbringen der Schmelzen in Schritt d) direkt im Anschluss an Schritt c), d.h. das Inkontaktbringen der Schmelzen in Schritt d) wird direkt mit den in Schritt c) erhaltenen Aluminiumschmelzen durchgeführt. Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße Verfahren wird ohne einen oder mehrere weitere Verfahrensschritte zwischen den Verfahrensschritten c) und d) durchgeführt.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der in Schritt d) erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff einer Abkühlung unterzogen werden.
  • Beispielsweise erfolgt die Abkühlung des in Schritt d) erhaltenen Metallmatrix-Verbundwerkstoffes auf eine Temperatur unterhalb der in Schritt d) eingesetzten Temperatur.
  • In einer Ausführungsform erfolgt die Abkühlung des in Schritt d) erhaltenen Metallmatrix-Verbundwerkstoffes in einen festen Zustand (T ≤ Tsolids), beispielsweise auf eine Temperatur von ≤ 100 °C, vorzugsweise auf Raumtemperatur, i.e. eine Temperatur von 10 bis 28 °C. Eine Abkühlung auf eine Temperatur von ≤ 100 °C erfolgt vorzugsweise, wenn der erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff keine weiteren Komponenten als Legierungselement(e) umfasst.
  • Umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff mindestens eine weitere Komponente als Legierungselement(e), wird der in Schritt d) erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff vorzugsweise auf eine Temperatur von ≤ Tliquidus der Legierungsschmelze abgekühlt. Die Zulegierung der mindestens einen weiteren Komponente ist jedoch nur in der Schmelze möglich. Der in Schritt d) erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff wird daher vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 750 °C und Tliquidus, noch bevorzugter auf eine Temperatur zwischen 750 °C und 850 °C, abgekühlt.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Abkühlung des in Schritt d) erhaltenen Metallmatrix-Verbundwerkstoffes auf eine Temperatur unterhalb der in Schritt d) eingesetzten Temperatur mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die ≥ 1 K/sec, und vorzugsweise ≥ 1 bis 20 K/sec, beträgt. Solche Verfahren zur Abkühlung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen sind im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann eine definierte Abkühlung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes mit Hilfe einer Kühlung an bewegter Luft erfolgen.
  • Umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff mindestens eine weitere Komponente als Legierungselement(e), kann diese nach Abkühlung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes auf eine Temperatur von ≤ Tliquidus in der Schmelze des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes verteilt werden. Beispielsweise wird die mindestens eine weitere Komponente homogen in der Schmelze des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes verteilt. Das Verteilen der mindestens einen weiteren Komponente in der Schmelze des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes kann nach Verfahren aus dem Stand der Technik erfolgen.
  • Bzgl. der mindestens einen weiteren Komponente und deren Mengen in der Aluminiummatrix wird auf die obigen Definitionen mit Bezug auf die Aluminiummatrix und deren Ausführungsformen verwiesen.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff, nach Zulegierung der mindestens einen weiteren Komponente, einer weiteren Abkühlung unterzogen werden.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Abkühlung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, nach Zulegierung der mindestens einen weiteren Komponente, in einen festen Zustand (T ≤ Tsolids), vorzugsweise auf eine Temperatur von ≤ 100 °C. Beispielsweise erfolgt die Abkühlung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, nach Zulegierung der mindestens einen weiteren Komponente, auf eine Temperatur von ≤ 100 °C mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die ≥ 10 K/sec, und vorzugsweise ≥ 10 bis 20 K/sec, beträgt. Beispielsweise erfolgt die Abkühlung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes auf eine Temperatur von ≤ 100 °C mit einer Abkühlgeschwindigkeit in einem Bereich von ≥ 20 K/sec oder in einem Bereich von 20 K/sec bis 1000 K/sec.
  • Solche Verfahren zur Abkühlung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen sind im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann eine definierte Abkühlung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes in einen festen Zustand (T ≤ Tsolids) mit Hilfe einer Kühlung an bewegter Luft oder durch Abschrecken in Wasser erfolgen.
  • Alternativ erfolgt die Abkühlung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, nach Zulegierung der mindestens einen weiteren Komponente, in einen festen Zustand (T ≤ Tsolids) an der Luft.
  • Zusätzlich oder alternativ kann der in Schritt d) erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff weiteren Verfahrensschritten unterzogen werden. Beispielsweise kann der in Schritt d) erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff in einem weiteren Verfahrensschritt einem Verfahren ausgewählt aus der Gruppe umfassend Schmiedeverfahren, Gussverfahren, Stranggussverfahren, Walzverfahren und Extrusionsverfahren unterzogen werden. Diese Verfahren sind im Stand der Technik bekannt.
  • Vorzugsweise wird der in Schritt d) erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff einem Stranggussverfahren unterzogen.
  • Umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff keine weiteren Komponenten als Legierungskomponenten, wird der in Schritt d) erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff vorzugsweise vor der Abkühlung dem weiteren Verfahrensschritt, vorzugsweise dem Stranggussverfahren, unterzogen.
  • Umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff mindestens eine weitere Komponenten als Legierungselement(e), wird der in Schritt d) erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff vorzugsweise nach Zulegierung der mindestens einen weiteren Komponente dem weiteren Verfahrensschritt, beispielsweise dem Stranggussverfahren, unterzogen. Der erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff wird vorzugsweise nach Zulegierung der mindestens einen weiteren Komponente und vor dem Abkühlen dem weiteren Verfahrensschritt, beispielsweise dem Stranggussverfahren, unterzogen.
  • In einer Ausführungsform erfolgt die Abkühlung des in Schritt d) erhaltenen Metallmatrix-Verbundwerkstoffes in einen festen Zustand (T ≤ Tsolids), beispielsweise auf eine Temperatur von ≤ 100 °C, vorzugsweise auf Raumtemperatur, i.e. eine Temperatur von 10 bis 28 °C. Der erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff kann in Form von Masseln erhalten werden. Anschließend wird der Metallmatrix-Verbundwerkstoff vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 750 °C und Tliquidus, noch bevorzugter auf eine Temperatur zwischen 750 °C und 850 °C, erwärmt. Nach Erwärmung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes auf eine Temperatur zwischen 750 °C und Tliquidus ist eine Zulegierung der mindestens einen weiteren Komponente als Legierungselement(e) möglich. Der so erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff, umfassend mindestens eine weitere Komponente als Legierungselement(e), kann anschließend mindestens einem weiteren Verfahrensschritt, beispielsweise dem Stranggussverfahren, unterzogen werden. Das Stranggussverfahren hat den Vorteil, dass der erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff abgekühlt wird, beispielsweise in einen festen Zustand (T ≤ Tso-lids), vorzugsweise auf eine Temperatur von ≤ 100 °C, noch bevorzugter auf Raumtemperatur, i.e. eine Temperatur von 10 bis 28 °C. Der erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff kann anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt einem Verfahren ausgewählt aus der Gruppe umfassend Schmiedeverfahren, Gussverfahren, Stranggussverfahren, Walzverfahren und Extrusionsverfahren, vorzugsweise Extrusionsverfahren, unterzogen werden. Diese Verfahren sind im Stand der Technik bekannt.
  • Aufgrund der Vorteile, die der erfindungsgemäße Metallmatrix-Verbundwerkstoff bietet, betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Artikel umfassend den Metallmatrix-Verbundwerkstoff. Aufgrund des hohen Bor-Gehalts und damit seiner hohen Menge an Neutronen-Fänger, seiner hohen Warmfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit sowie der hohen Langzeitbeständigkeit eignet sich der erfindungsgemäße Metallmatrix-Verbundwerkstoff insbesondere zur Herstellung von Lagerungsbehältern für radioaktiv (noch schwach) strahlende Kernbrennstäbe.
  • Der Artikel ist daher vorzugsweise ein Lagerungsbehälter für radioaktiv strahlende Kernbrennstäbe.
  • Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften des Metallborids vom MB6-Typ als Neutronen-Fänger, betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung eines Metallborids vom MB6-Typ in einem Lagerungsbehälter für radioaktiv strahlende Kernbrennstäbe.
  • Das Metallborid liegt vorzugsweise in Form von Nanopartikeln vor. Die Partikel haben vorzugsweise einen Durchmesser in einem Bereich von 10 bis 100 000 nm. Beispielsweise haben die Partikel einen Durchmesser in einem Bereich von 15 bis 10 000 nm, weiter bevorzugt von 20 bis 5 000 nm und am meisten bevorzugt von 25 bis 1 000 nm.
  • Beispielsweise sind die Partikel des Metallborids sphärisch, nicht-sphärisch oder Mischungen hiervon. Vorzugsweise sind die Partikel des Metallborids eine Mischung aus sphärischen und nicht-sphärischen Partikeln.
  • In einer Ausführungsform sind die Partikel des Metallborids homogen in der Aluminiummatrix verteilt. Alternativ können die Partikel des Metallborids inhomogen in der Aluminiummatrix verteilt sein.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff das Metallborid in einer Menge von 12 bis 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes. Beispielsweise umfasst der Metallmatrix-Verbundwerkstoff das Metallborid in einer Menge von 12 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes.
  • Das Metallborid ist ein Metallborid vom MB6-Typ, wobei M ein Metall-Kation bezeichnet. Beispielsweise kann M ein Metall ausgewählt aus der Gruppe umfassend Calcium und/oder Lanthan sein. Die Verwendung eines Metallborids vom MB6-Typ hat den Vorteil, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff Bor in einer hohen Menge umfasst, insbesondere in einer Menge die höher ist als die Menge die üblicherweise mit Borcarbid (B4C) in entsprechenden Werkstoffen erzielt wird, und somit eine hohe Menge an "Neutronen-Fänger" bereitstellt.
  • In einer Ausführungsform ist das Metallborid daher Calcium-Hexaborid (CaB6) und/oder Lanthan-Hexaborid (LaB6).
  • Beispielsweise ist das Metallborid Calcium-Hexaborid (CaB6) und Lanthan-Hexaborid (LaB6). Alternativ ist das Metallborid Calcium-Hexaborid (CaB6) oder Lanthan-Hexaborid (LaB6).
  • Vorzugsweise ist das Metallborid Calcium-Hexaborid (CaB6).
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Metallborid ein Gewichtsverhältnis der Isotopen 11B zu 10B [11B/10B] von 5:1 bis 3:1 auf. Beispielsweise weist das Metallborid ein Gewichtsverhältnis der Isotopen 11B zu 10B [11B/10B] von etwa 4:1 auf.

Claims (14)

  1. Metallmatrix-Verbundwerkstoff umfassend
    a) eine Aluminiummatrix, und
    b) in der Aluminiummatrix verteilte Partikel umfassend ein Metallborid, wobei der Metallmatrix-Verbundwerkstoff das Metall-Kation in einer Menge von 2 bis 20 Gew.-%, und Borid in einer Menge von 10 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, umfasst.
  2. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, wobei die Aluminiummatrix als weitere Komponente mindestens eine Komponente ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium (Si), Scandium (Sc), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Ytterbium (Y), Mangan (Mn), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta), Lanthan (La) oder Mischungen hiervon umfasst.
  3. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Metallmatrix-Verbundwerkstoff die Aluminiummatrix in einer Menge von 40 bis 88 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, umfasst.
  4. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel umfassend ein Metallborid ein Gewichtsverhältnis der Isotopen 11B zu 10B [11B/10B] von 5:1 bis 3:1 aufweisen.
  5. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel ein Metallborid vom MB6-Typ umfassen, wobei M ein Metall-Kation bezeichnet.
  6. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel Calcium-Hexaborid (CaB6) und/oder Lanthan-Hexaborid (LaB6) umfassen.
  7. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die in der Aluminiummatrix verteilten Partikel Nanopartikel mit einem Durchmesser von 10 bis 100 000 nm darstellen.
  8. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 160 Wm-1K-1, bestimmt gemäß ISO 25239-1:2011, und/oder eine Festigkeit von mindestens 117 N/mm2 bei einer Temperatur von 375 °C, bestimmt gemäß ISO 527-2, aufweist.
  9. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Metallmatrix-Verbundwerkstoff durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12 erhalten wird.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, das Verfahren umfassend
    a) Bereitstellen einer Aluminium-Vorlegierung umfassend ein Metall, das geeignet ist ein Metallborid zu bilden, wie in einem der Ansprüche 1 oder 4 bis 7 definiert,
    b) Bereitstellen einer Aluminium-Vorlegierung umfassend Bor
    c) Schmelzen der Aluminium-Vorlegierungen aus Schritt a) und b),
    d) Inkontaktbringen der Aluminiumschmelzen aus Schritt c) bei einer Temperatur von mindestens 900 °C zur Herstellung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Inkontaktbringen in Schritt d) bei einer Temperatur von 900 °C bis 1 500 °C erfolgt.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei der in Schritt d) erhaltene Metallmatrix-Verbundwerkstoff auf eine Temperatur unterhalb der in Schritt d) eingesetzten Temperatur abgekühlt wird.
  13. Artikel, vorzugsweise ein Lagerungsbehälter für radioaktiv strahlende Kernbrennstäbe, umfassend den Metallmatrix-Verbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
  14. Verwendung eines Metallborids vom MB6-Typ, wie in einem der Ansprüche 1 oder 4 bis 7 definiert, in einem Lagerungsbehälter für radioaktiv strahlende Kernbrennstäbe.
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