CN106947889A - 一种铝基硼化钨复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种铝基硼化钨复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铝基硼化钨复合材料及其制备方法，原料包括硼化钨粉末，以及纯铝粉末和铝合金粉末中的一种或两种。本发明所述一种铝基硼化钨复合材料及其制备方法，采用微米级粉末，容易购买，价格低廉。本发明采用热等静成形与烧结同时进行，工序简单，材质均匀，材料致密度高，相对密度达到99.5%以上。（3）本发明采用玻璃珠喷丸处理工艺对铝基硼化钨复合材料进行表面处理，有效避免了腐蚀。综上所述，采用本发明制备的铝基硼化钨复合材料具有相对密度高、良好的x、γ射线及中子屏蔽性能等特点，可应用于核电厂、核动力装置等辐射防护领域，具有广泛的应用前景。采用上述方法制备的铝基硼化钨复合材料具有相对密度大于99.5%，材料室温抗拉强度大于300MPa、屈服强度大于200MPa、延伸率大于5%。

Description

一种铝基硼化钨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于辐射防护技术领域，涉及一种铝基硼化钨复合材料及其制备方法。
背景技术
核电厂、核动力装置辐射场环境下有大量的x、γ射线、中子，这些x、γ射线及中子需要辐射防护屏蔽材料，目前常用的材料有铅硼聚乙烯、含硼聚丙烯、镉板、硼钢、钨基高比重合金、碳化硼和铝基碳化硼等材料，上述材料只有铅硼聚乙烯材料可以同时屏蔽x、γ射线及中子，其他材料只能对x、γ射线或中子中的一种具有屏蔽效果。铅硼聚乙烯材料成分中含有大量的铅，由于铅无法降解， 一旦进入环境很长时间仍保持其可用性，在环境中长期持久存在，又对生命组织有较强的潜在毒性，严重情况可能致人死亡。铅在很多国家被列为强污染源，很多国家核的确开始限制使用，所以继续一种可以无铅又可以防护x、γ射线及中子的材料。专利201410075532.1公开了一种碳化硅／硼化钨复合材料及其制备方法。该复合材料由钨二硼五增强相和碳化硅基体组成，钨二硼五增强相均匀弥散地分布于碳化硅基体中。采用碳化钨粉、碳化硼粉和硅粉，或者碳化钨粉、碳化硼粉、硅粉和碳化硅粉、钨二硼五粉之一种或两种为原料，经物理机械方法混合8～24小时， 装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10～20MPa ；在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为 1～20℃/分钟，烧结温度为1600～2000℃、烧结时间为 0.5～ 3小时、烧结压强为 10～300MPa。但该复合材料的屏蔽效果并不理想。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种铝基硼化钨复合材料及其制备方法。该铝基硼化钨复合材料具有相对密度高、良好的x、γ射线及中子屏蔽性能，采用热等静压工艺制备，并采用玻璃喷丸进行表面处理，制备工艺简单，适合批量化生产。
本发明提供了如下的技术方案：
一种铝基硼化钨复合材料，原料包括硼化钨粉末，以及纯铝粉末和铝合金粉末中的一种或两种。
在上述方案中优选的是，原料包括质量百分比为5~50%的硼化钨粉末和50~95%的纯铝粉末和铝合金粉末中的一种或两种。
在上述任一方案中优选的是，所述硼化钨粉末中硼化钨含量为99%以上。
在上述任一方案中优选的是，所述硼化钨粉末的粒度为0.5~25μm。所述硼化钨粉末的粒度优选为0.5~10μm或10~25μm，进一步优选为0.5μm、10μm或25μm。
在上述任一方案中优选的是，所述纯铝粉末和铝合金粉末中的一种或两种的粒度为0.5~75μm。，所述铝合金粉末的粒度优选为0.5~10μm、10~25μm或25~75μm。进一步优选为0.5μm、10μm、25μm或75μm。
在上述任一方案中优选的是，所述硼化钨粉末为硼化二钨粉末。
在上述任一方案中优选的是，所述铝合金粉末为1100铝粉和/或6061铝合金粉末。
本发明所述铝基硼化钨复合材料的原料包括不可避免带入的杂质。
本发明还提供铝基硼化钨复合材料的制备方法，包括以下各步骤：
（1）原料粉末配制步骤：将硼化钨粉末和纯铝粉末和铝合金粉末中的一种或两种混合均匀，得到混合粉末；
（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉末装入包套，经过抽气、密封、热等静压处理，得到热等静压坯料；
（3）机加工步骤：将所述热等静压坯料去除包套，根据成品图纸要求加工即可，得到加工坯料；
（4）表面处理步骤：将所述加工坯料进行表面处理。
在上述方案中优选的是，所述原料粉末配制步骤中，原料混合时间为6~26小时。
在上述任一方案中优选的是，所述原料粉末配制步骤中，原料混合时间为6小时。
在上述任一方案中优选的是，所述原料粉末配制步骤中，原料混合时间为12小时。
在上述任一方案中优选的是，所述原料粉末配制步骤中，原料混合时间为18小时。
在上述任一方案中优选的是，所述原料粉末配制步骤中，原料混合时间为26小时。
在上述任一方案中优选的是，所述热等静成形步骤中，包套抽真空温度为200-450℃。包套抽真空温度为200以上，不高于450℃。除气效率更高，残留气体更少。包套抽真空温度更优选为200℃、300℃、400℃或450℃；
在上述任一方案中优选的是，所述包套进行热等静压处理，压力为70-150MPa，温度为400-620℃，保温时间为1.5~4小时。保温时间更长，得到的坯料致密度更高，与硼化钨的界面结合更加充分。热等静压压力更优选为70MPa、120MPa或150MPa；热等静压温度更优选为400℃、500℃或620℃；热等静压保温时间更优选为1.5小时、3小时或4小时。
在上述任一方案中优选的是，所述热等静成形坯料的相对密度大于99.5%。
在上述任一方案中优选的是，所述表面处理步骤采用玻璃珠喷丸处理。
本发明与现有技术方案相比具有以下有益效果：
（1）本发明所述一种铝基硼化钨复合材料及其制备方法，采用微米级粉末，容易购买，价格低廉。（2）本发明采用热等静成形与烧结同时进行，工序简单，材质均匀，材料致密度高，相对密度达到99.5%以上。（3）本发明采用玻璃珠喷丸处理工艺对铝基硼化钨复合材料进行表面处理，有效避免了腐蚀。综上所述，采用本发明制备的铝基硼化钨复合材料具有相对密度高、良好的x、γ射线及中子屏蔽性能等特点，可应用于核电厂、核动力装置等辐射防护领域，具有广泛的应用前景。采用上述方法制备的铝基硼化钨复合材料具有相对密度大于99.5%，材料室温抗拉强度大于300MPa、屈服强度大于200MPa、延伸率大于5%。
附图说明
图1是本发明的铝基硼化钨复合材料及其制备方法的一优选实施例的流程图；
图2是图1所示本发明的铝基硼化钨复合材料及其制备方法的一优选实施例的微观组织图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。
本发明硼化钨粉末可购自锦州海鑫，纯铝粉末和铝合金粉末中的一种或两种可购自浙江乾元。
实施例1
本实施例提供的铝基硼化钨复合材料质量百分比为：硼化钨粉末：5%，纯铝粉：95%。所述硼化钨粉末为硼化二钨粉末，所述含铝粉末采用纯铝粉。
本实施例的铝基硼化钨复合材料的制备方法如图1所示，包括如下步骤：
（1）原料粉末配制步骤：将粒度为0.5μm硼化钨粉50g、粒度为75μm的纯铝粉末950g混合均匀，混合时间为6小时得到1000g混合粉末；
（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为200℃、密封、热等静压处理，压制压力为70MPa，温度为400℃，保温时间为1.5小时，得到热等静压坯料；
（3）机加工步骤：将所述热等静压坯料去除包套，根据成品图纸要求加工即可，得到加工坯料；
（4）表面处理步骤：将所述加工坯料采用玻璃珠喷丸进行表面处理。
本实施例制备的铝基硼化钨复合材料的微观组织如图2所示，本实施例制备的铝基硼化钨复合材料相对密度为99.5%，室温抗拉强度为305MPa、屈服强度为210MPa、延伸率为5.5%。并且，经过辐射实验，本实施例的x、γ射线及中子屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。
实施例2
本实施例提供的铝基硼化钨复合材料质量百分比为：硼化钨粉末：40%，铝合金粉末：60%。所述硼化钨粉末为硼化二钨粉末，所述铝合金粉末采用1100铝粉。
本实施例的铝基硼化钨复合材料的制备方法如下：
（1）原料粉末配制步骤：将粒度为25μm硼化钨粉400g、粒度为0.5μm的铝合金粉末600g混合均匀，混合时间为26小时得到1000g混合粉末；
（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为450℃、密封、热等静压处理，压制压力为150MPa，温度为620℃，保温时间为4小时，得到热等静压坯料；
（3）机加工步骤：将所述热等静压坯料去除包套，根据成品图纸要求加工即可，得到加工坯料；
（4）表面处理步骤：将所述加工坯料采用玻璃珠喷丸进行表面处理。
本实施例制备的铝基硼化钨复合材料相对密度为99.6%，室温抗拉强度为320MPa、屈服强度为215MPa、延伸率为6%。并且，经过辐射实验，本实施例的x、γ射线及中子屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。
实施例3
该实施例提供的铝基硼化钨复合材料质量百分比为：硼化钨粉末：31%，铝合金粉末：69%。所述硼化钨粉末为硼化二钨粉末，所述铝合金粉末采用6061铝合金粉末。
本实施例的铝基硼化钨复合材料的制备方法如下：
（1）原料粉末配制步骤：将粒度为10μm硼化钨粉310g、粒度为25μm的铝合金粉末690g混合均匀，混合时间为15小时得到1000g混合粉末；
（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为300℃、密封、热等静压处理，压制压力为130MPa，温度为500℃，保温时间为3小时，得到热等静压坯料；
（3）机加工步骤：将所述热等静压坯料去除包套，根据成品图纸要求加工即可，得到加工坯料；
（4）表面处理步骤：将所述加工坯料采用玻璃珠喷丸进行表面处理。
本实施例制备的铝基硼化钨复合材料相对密度为100%，室温抗拉强度为330MPa、屈服强度为240MPa、延伸率为8%。并且，经过辐射实验，本实施例的x、γ射线及中子屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。
实施例4
该实施例提供的铝基硼化钨复合材料质量百分比为：硼化钨粉末：15%，铝合金粉末：85%。所述硼化钨粉末为硼化二钨粉末，所述铝合金粉末采用6061铝合金粉末。
本实施例的铝基硼化钨复合材料的制备方法如下：
（1）原料粉末配制步骤：将粒度为15μm硼化钨粉150g、粒度为50μm的铝合金粉末850g混合均匀，混合时间为20小时得到1000g混合粉末；
（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为450℃、密封、热等静压处理，压制压力为110MPa，温度为550℃，保温时间为2小时，得到热等静压坯料；
（3）机加工步骤：将所述热等静压坯料去除包套，根据成品图纸要求加工即可，得到加工坯料；
（4）表面处理步骤：将所述加工坯料采用玻璃珠喷丸进行表面处理。
本实施例制备的铝基硼化钨复合材料相对密度为100%，室温抗拉强度为310MPa、屈服强度为205MPa、延伸率为6.5%。并且，经过辐射实验，本实施例的x、γ射线及中子屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。
实施例5
本实施例提供的铝基硼化钨复合材料质量百分比为：硼化钨粉末：25%，铝合金粉末：75%。所述硼化钨粉末为硼化二钨粉末，所述铝合金粉末采用6061铝合金粉末。
本实施例的铝基硼化钨复合材料的制备方法如下：
（1）原料粉末配制步骤：将粒度为3μm硼化钨粉250g、粒度70μm的铝合金粉末750g混合均匀，混合时间为24小时得到1000g混合粉末；
（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为360℃、密封、热等静压处理，压制压力为115MPa，温度为430℃，保温时间为2小时，得到热等静压坯料；
（3）机加工步骤：将所述热等静压坯料去除包套，根据成品图纸要求加工即可，得到加工坯料；
（4）表面处理步骤：将所述加工坯料采用玻璃珠喷丸进行表面处理。
本实施例制备的铝基硼化钨复合材料相对密度为99.9%，室温抗拉强度为325MPa、屈服强度为210MPa、延伸率为6%。并且，经过辐射实验，本实施例的x、γ射线及中子屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。
实施例6
本实施例提供的铝基硼化钨复合材料质量百分比为：硼化钨粉末：10%，铝合金粉末：90%。所述硼化钨粉末为硼化二钨粉末，所述铝合金粉末采用6061铝合金粉末。
本实施例的铝基硼化钨复合材料的制备方法如下：
（1）原料粉末配制步骤：将粒度为18μm硼化钨粉100g、粒度为60μm的铝合金粉末900g混合均匀，混合时间为22小时得到1000g混合粉末；
（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为450℃、密封、热等静压处理，压制压力为110MPa，温度为450℃，保温时间为2小时，得到热等静压坯料；
（3）机加工步骤：将所述热等静压坯料去除包套，根据成品图纸要求加工即可，得到加工坯料；
（4）表面处理步骤：将所述加工坯料采用玻璃珠喷丸进行表面处理。
本实施例制备的铝基硼化钨复合材料相对密度为100%，室温抗拉强度为335MPa、屈服强度为225MPa、延伸率为7%。并且，经过辐射实验，本实施例的x、γ射线及中子屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。
实施例7
本实施例提供的铝基硼化钨复合材料质量百分比为：硼化钨粉末：50%，铝合金粉末：50%。所述硼化钨粉末为硼化二钨粉末，所述铝合金粉末采用1100铝粉。
本实施例的铝基硼化钨复合材料的制备方法如下：
（1）原料粉末配制步骤：将粒度为18μm硼化钨粉100g、粒度为60μm的铝合金粉末900g混合均匀，混合时间为22小时得到1000g混合粉末；
（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为450℃、密封、热等静压处理，压制压力为110MPa，温度为450℃，保温时间为2小时，得到热等静压坯料；
（3）机加工步骤：将所述热等静压坯料去除包套，根据成品图纸要求加工即可，得到加工坯料；
（4）表面处理步骤：将所述加工坯料采用玻璃珠喷丸进行表面处理。
本实施例制备的铝基硼化钨复合材料相对密度为99.5%，室温抗拉强度为330MPa、屈服强度为225MPa、延伸率为5%。并且，经过辐射实验，本实施例的x、γ射线及中子屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。
实施例8：
本实施例与实施例3的不同之处仅在于：铝基硼化钨复合材料质量百分比为：硼化钨粉末：5%，铝合金粉末：95%。
其余与实施例3相同。
本实施例制备的铝基硼化钨复合材料相对密度为100%，室温抗拉强度为325MPa、屈服强度为235MPa、延伸率为7%。并且，经过辐射实验，本实施例的x、γ射线及中子屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。
实施例9：
本实施例与实施例3的不同之处仅在于：铝基硼化钨复合材料质量百分比为：硼化钨粉末：50%，铝合金粉末：50%。
其余与实施例3相同。
本实施例制备的铝基硼化钨复合材料相对密度为99.8%，室温抗拉强度为320MPa、屈服强度为230MPa、延伸率为7%。并且，经过辐射实验，本实施例的x、γ射线及中子屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。

Claims (10)

1.一种铝基硼化钨复合材料，原料包括硼化钨粉末，以及纯铝粉末和铝合金粉末中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的铝基硼化钨复合材料，其特征在于：原料包括质量百分比为5~50%的硼化钨粉末以及50~95%的纯铝粉末和铝合金粉末中的一种或两种。
3.根据权利要求2所述的铝基硼化钨复合材料，其特征在于：所述硼化钨粉末中硼化钨含量为99%以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的铝基硼化钨复合材料，其特征在于：所述硼化钨粉末的粒度为0.5~25μm。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的铝基硼化钨复合材料，其特征在于：所述纯铝粉末和铝合金粉末中的一种或两种的粒度为0.5~75μm。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的铝基硼化钨复合材料，其特征在于：所述硼化钨粉末为硼化二钨粉末。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的铝基硼化钨复合材料，其特征在于：所述铝合金粉末为1100铝粉和/或6061铝合金粉末。
8.权利要求1至7中任一项一种铝基硼化钨复合材料的制备方法，包括以下各步骤：
（1）原料粉末配制步骤：将硼化钨粉末以及纯铝粉末和铝合金粉末中的一种或两种混合均匀，得到混合粉末；
（2）热等静压成形步骤：将所述混合粉末装入包套，经过抽气、密封、热等静压处理，得到热等静压坯料；
（3）机加工步骤：将所述热等静压坯料去除包套，根据成品图纸要求加工即可，得到加工坯料；
（4）表面处理步骤：将所述加工坯料进行表面处理。
9.根据权利要求8所述的铝基硼化钨复合材料的制备方法，其特征在于：所述原料粉末配制步骤中，原料混合时间为6~26小时。
10.根据权利要求8所述的铝基硼化钨复合材料的制备方法，其特征在于：所述原料粉末配制步骤中，原料混合时间为6小时。
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