CN107217190A - 用于屏蔽核辐射的Fe‑W‑B‑C合金材料及其制备方法 - Google Patents

用于屏蔽核辐射的Fe‑W‑B‑C合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

用于屏蔽核辐射的Fe‑W‑B‑C合金材料及其制备方法，涉及铁基核辐射屏蔽材料技术领域，所述用于屏蔽核辐射的Fe‑W‑B‑C合金材料的制备方法包括以下步骤：1）混粉与成型：先用球磨机将Fe、W、B、C单质粉末研磨混合均匀，得到混合粉末，以质量计，所述混合粉末中W含量为16%‑18%、B含量为1.5%‑2.5%、C含量为0.35%‑0.45%，余量为Fe；再将所述混合粉末模压成型得到压胚；2）烧结：将得到的压胚在温度为1350℃‑1450℃的条件下烧结，烧结完成后冷却，即可得到所述用于屏蔽核辐射的Fe‑W‑B‑C合金材料。本发明制备得到的Fe‑W‑B‑C合金材料机械性能良好，对于热中子、γ射线具有良好的屏蔽效果，可广泛应用于核电站防护材料、核设备以及电子仪器射线防护领域。

Description

用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铁基核辐射屏蔽材料技术领域，特别涉及一种用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，核工况环境多样化，辐射防护材料的研究制备成为科研领域最为重要的课题之一,传统的辐射屏蔽材料由于屏蔽性能不够完备、屏蔽效率低、制备工艺复杂，力学性能较差等因素已不能满足现在核工况的要求。
传统的屏蔽材料以Pb、W合金较为常见，其具有良好的中子和γ射线屏蔽特性，但是材料脆性较大。一些新型的聚合物基、重金属基屏蔽材料普遍柔韧性较差，而高比重合金(钨合金)、铅玻璃、硼铝合金等材料同样存在脆性大的缺陷(硼铝合金易在晶界处形成富硼的硼化物，増加了材料的脆性，使得硼铝合金韧性降低)。
国内陈飞达、王鹏等研制出纤维增强环氧树脂基、短切碳纤维增强B4C/环氧树脂基、铅硼聚乙烯中子防护纤维等屏蔽材料；国外也研制出了BN/高密度聚乙烯复合材料，具有辐射屏蔽性能，但是这些材料的机械性能不太理想，难以满足形状复杂核设备部件外围防护对于柔软防护材料的需求，作为屏蔽体的实际工程屏蔽件，这些非金属基材料的机械性能也满足不了工程需求。
铁的密度小、力学强度高，但由于铁俘获热中子后会放出大量 10MeV以下的二次γ射线，并不是一种好的核辐射屏蔽材料，业内对于铁基核辐射屏蔽材料的研究较少，极少见到有关铁基核辐射屏蔽材料成果的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制备用于屏蔽核辐射的 Fe-W-B-C合金材料的方法，进一步，本发明还提供通过前述方法制备得到的新型铁基核辐射屏蔽材料。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)混粉与成型：先用球磨机将Fe、W、B、C单质粉末研磨混合均匀，得到混合粉末，以质量计，所述混合粉末中W含量为 16％-18％、B含量为1.5％-2.5％、C含量为0.35％-0.45％，余量为Fe；再将所述混合粉末模压成型得到压胚；
2)烧结：将得到的压胚在温度为1350℃-1450℃的条件下烧结，烧结完成后冷却，即可得到所述用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料。
优选的，所述混合粉末中W含量为18％、B含量为2.5％、C含量为0.4％，余量为Fe。
其中，所述混合粉末模压成型时的模压压强不低于400Mpa。
其中，所述压胚在真空度不低于10-3pa的条件下真空烧结。
优选的，所述压胚真空烧结的温度为1450℃，烧结时间为 45min-60min。
进一步地，所述压胚真空烧结过程中控制升温速度为10℃/min。
作为本发明的另一方面，一种用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料，其采用上述制备方法制备得到。
本发明取得的有益效果在于：本发明提供的制备Fe-W-B-C合金材料的方法具有工艺简单的优点，通过该方法制备得到的Fe-W-B-C 合金材料(铁基核辐射屏蔽材料)机械性能良好，对于热中子、γ射线具有良好的屏蔽效果，可广泛应用于核电站防护材料、核设备以及电子仪器射线防护领域。
附图说明：
图1为实施例1所得铁基屏蔽合金表面形貌图；
图2为实施例1所得铁基屏蔽合金微观组织形貌图；
图3为实施例1所得铁基屏蔽合金试样拉伸断口形貌图；
图4为实施例2所得铁基屏蔽合金表面形貌图；
图5为实施例2所得铁基屏蔽合金微观组织形貌图；
图6为实施例2所得铁基屏蔽合金试样拉伸断口形貌图；
图7为实施例3所得铁基屏蔽合金表面形貌图；
图8为实施例3所得铁基屏蔽合金微观组织形貌图；
图9为实施例3所得铁基屏蔽合金试样拉伸断口形貌图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合3个实施例对本发明作进一步的说明，实施例提及的内容并非对本发明的限定。
需要提前说明的是，在本发明的描述中，“余量为铁”指的是不考虑各原料组分中含微量杂质的情况，本领域技术人员应当理解，实际生产时，由于原料无法达到100％纯度，若使用的原料中包含微量的杂质且所含杂质不会对最终合金材料的性能产生显著的影响，则这样的实施方案也应当包括在本申请的保护范围之内。申请人因受客观实验条件限制，以下实施例均采用了同样的实验设备、原料类型。其中，采用单质粉末制备Fe-W-C-B合金试样，Fe粉采用纯度较高的羟基粉末，W粉为还原粉，以及采用工业细化C粉和B粉，其具体物理及化学特征见表2.1、2.2、2.3所示。
表2.1 原料粉磨特征(％)
表2.2 W粉主要杂质
表2.3 Fe粉主要杂质
其中，采用行星式球磨机混合粉末,使W、Fe、B、C单质粉末进一步细化且混合均匀，采用添加液体石蜡湿磨，之后取出放入干燥箱中蒸发液体石蜡，其具体工艺如下表2.4所示。
表2.4 混合粉末制备工艺及参数
其中，采用单柱液压机模压成型，将配好的Fe-W-C合金粉末和 Fe-W-C-B合金粉末放到圆柱形和方形模具内压制成型；为了测试合金的力学性能，分别制备两种形状压坯:圆柱形和方形，成型工艺参数如表2.5所示。
表2.5 成型式样参数，用途及压制参数
其中，机械性能测试方法采用常规方法，在此不足赘述，γ射线屏蔽性能测试实验是采用中核(北京)核仪器厂生产γ射线屏蔽测试仪，采用137Cs源，源能量0.661Mev，实验过程中加速电压为 567V，粒子入射时间40s，且实验过程中每组样品多次重复测量，取平均值、记录本底数、和137Cs源入射粒子数。中子屏蔽特性测试采用蒙特卡罗方法，以透射比系数作为评价合金屏蔽性能指标。
实施例1：
1)混粉与成型：先用球磨机将Fe、W、B、C单质粉末研磨混合均匀，得到混合粉末，以质量计，混合粉末中W含量为16％、B含量为1.5％、C含量为0.45％，余量为Fe；再将所述混合粉末模压成型得到压胚；
2)烧结：将得到的压胚在温度为1450℃的条件下真空烧结(真空度10-3pa)，烧结完成后冷却至室温，即可得到用于屏蔽核辐射的 Fe-W-B-C合金材料。
检测项目：
1、测量合金材料密度，经检测，本实施例试样密度为10.8g/cm3。
2、在金相显微镜下观测该Fe-W-B-C合金表面形貌，本实施例的铁基屏蔽合金表面形貌见图1所示，从图1可以看出，试样表面“凸起”颗粒均匀而细，存在微量黑色带碳化物。
3、将试样依次采用320#、600#、800#、1200#、1500#、2000# 金相砂纸细磨，然后使用Cr2O3抛光粉在抛光机上抛光，抛光后的试样表面进行化学腐蚀30s，腐蚀剂为饱和4％硝酸酒精溶液，采用 GX-15的奥林巴斯金相显微镜观察其微观组织形貌见图2所示，从图 2可以看出，试样组织中无颗粒晶界和缝隙，生成了分布不均匀断续的网状结构组织覆盖在基体相表面，包裹圆形或者环形组织结构。
4、对试样进行硬度测试，经检测，本实施例试样硬度达到425HV。
5、对试样进行拉伸测试，通过拉伸测试检测其拉伸强度和伸长率，经测得，试样拉伸强度达到331Mpa，伸长率达到14.70％，该试样具有较高的拉伸强度和不错的伸长率，材料韧性合适。
6、采用JEOL-JSM-6490LA型扫描电子显微镜观察Fe-W-C合金和Fe-W-C-B合金试样拉伸断口形貌见图3所示，从图3可以看出，试样也出现大量的“撕裂棱”，断面上有极少量凹陷和二次裂纹，韧性断裂区域较大，主要为韧性断裂。
7、测试试样中子屏蔽能力，以衰减系数作为参考指标，合金中子衰减系数是曲线斜率的积分，虽然不能非常准确低对合金中子屏蔽模型提出评价指标，但是其反应了材料中子透射比趋势，对判别材料对中子的屏蔽特性具有参考意义，经测得本实施例中合金材料的衰减系数值为0.08534。
8、测试试样γ射线屏蔽能力，采用材料半衰减厚度作为评价指标，经测得半衰减厚度值为8.0121。
实施例2：
1)混粉与成型：先用球磨机将Fe、W、B、C单质粉末研磨混合均匀，得到混合粉末，以质量计，混合粉末中W含量为18％、B含量为2.5％、C含量为0.4％，余量为Fe；再将所述混合粉末模压成型得到压胚；
2)烧结：将得到的压胚在温度为1450℃的条件下真空烧结(真空度10-3pa)，烧结完成后冷却至室温，即可得到用于屏蔽核辐射的 Fe-W-B-C合金材料。
检测项目：
1、测量合金材料密度，经检测，本实施例试样密度为9.8g/cm3。
2、在金相显微镜下观测该Fe-W-B-C合金表面形貌，本实施例的铁基屏蔽合金表面形貌见图4所示，从图4可以看出，试样表面凸起消失、出现相连的环形颗粒，且呈现一定方向排列。
3、将试样依次采用320#、600#、800#、1200#、1500#、2000# 金相砂纸细磨，然后使用Cr2O3抛光粉在抛光机上抛光，抛光后的试样表面进行化学腐蚀30s，腐蚀剂为饱和4％硝酸酒精溶液，采用 GX-15的奥林巴斯金相显微镜观察其微观组织形貌见图5所示，从图 5可以看出，试样合金组织成环状网状组织分布较为均匀，且内部区域有圆棒状组织结构的新相生成，组织粗大且相互平行。
4、对试样进行硬度测试，经检测，本实施例试样硬度达到460HV。
5、对试样进行拉伸测试，通过拉伸测试检测其拉伸强度和伸长率，经测得，试样拉伸强度达到410Mpa，伸长率达到24.8％，该试样具有较高的拉伸强度和伸长率，材料韧性也较好。
6、采用JEOL-JSM-6490LA型扫描电子显微镜观察Fe-W-C合金和Fe-W-C-B合金试样拉伸断口形貌见图6所示，从图6可以看出，试样出现大量的“撕裂棱”，且覆盖面积多于实施例1试样，撕裂棱相对较细，韧性断裂区域较大，以韧性断裂为主。
7、测试试样中子屏蔽能力，以衰减系数作为参考指标，经测得衰减系数值为0.08968。
8、测试试样γ射线屏蔽能力，采用材料半衰减厚度作为评价指标，经测得半衰减厚度值为7.7291。
实施例3：
1)混粉与成型：先用球磨机将Fe、W、B、C单质粉末研磨混合均匀，得到混合粉末，以质量计，混合粉末中W含量为17％、B含量为2％、C含量为0.35％，余量为Fe；再将所述混合粉末模压成型得到压胚；
2)烧结：将得到的压胚在温度为1400℃的条件下真空烧结(真空度10-3pa)，烧结完成后冷却至室温，即可得到用于屏蔽核辐射的 Fe-W-B-C合金材料。
检测项目：
1、测量合金材料密度，经检测，本实施例试样密度为10.4g/cm3。
2、在金相显微镜下观测该Fe-W-B-C合金表面形貌，本实施例的铁基屏蔽合金表面形貌见图7所示，从图7可以看出，试样表面凸起较少、颗粒分布均匀。
3、将试样依次采用320#、600#、800#、1200#、1500#、2000# 金相砂纸细磨，然后使用Cr2O3抛光粉在抛光机上抛光，抛光后的试样表面进行化学腐蚀30s，腐蚀剂为饱和4％硝酸酒精溶液，采用 GX-15的奥林巴斯金相显微镜观察其微观组织形貌见图8所示，从图 8可以看出，试样合金组织生成分布较均匀的环状网状组织，覆盖在基体相表面，包裹圆形或者环形组织结构。
4、对试样进行硬度测试，经检测，本实施例试样硬度达到440HV。
5、对试样进行拉伸测试，通过拉伸测试检测其拉伸强度和伸长率，经测得，试样拉伸强度达到400Mpa，伸长率达到21％，该试样同样具有较高的拉伸强度和伸长率，材料韧性也较好。
6、采用JEOL-JSM-6490LA型扫描电子显微镜观察Fe-W-C合金和Fe-W-C-B合金试样拉伸断口形貌见图9所示，从图9可以看出，试样断口无“微坑”和“韧窝”，出现“平台”与较大的“撕裂棱”形貌，主体上以塑性断裂为主，晶体的晶界面彼此分离，这种材料的晶间断裂显示出很大的延展性。
7、测试试样中子屏蔽能力，以衰减系数作为参考指标，经测得衰减系数值为0.08753。
8、测试试样γ射线屏蔽能力，采用材料半衰减厚度作为评价指标，经测得半衰减厚度值为7.9752。
为便于本领域技术人员理解本发明相对于现有金属基核辐射屏蔽材料的改进程度，申请人在同等条件下测试了Pb、W、Fe板衰减系数与半衰减厚度，测试结果见表2.6所示。
表2.6 Pb、W、Fe板衰减系数与半衰减厚度
综合以上测试结果可以知道，本发明制备的铁基核辐射屏蔽材料密度为Pb板的86％-94％，其与Pb板衰减系数的比值为0.75左右，半衰减厚度为Pb板1.3倍左右，反而言之，其屏蔽能力达到Pb 板屏蔽能力的70％左右，而密度要比Pb板低得多。相比Pb板，该合金材料对人要安全得多，更加重要的是，其整体机械性能也明显优于Pb板，考虑材料质轻、安全及机械性能方面的要求，可以采用此合金在大多数场合代替传统的Pb合金。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
最后，应该强调的是，为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (7)

1.用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)混粉与成型：先用球磨机将Fe、W、B、C单质粉末研磨混合均匀，得到混合粉末，以质量计，所述混合粉末中W含量为16％-18％、B含量为1.5％-2.5％、C含量为0.35％-0.45％，余量为Fe；再将所述混合粉末模压成型得到压胚；
2)烧结：将得到的压胚在温度为1400℃-1450℃的条件下烧结，烧结完成后冷却，即可得到所述用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料。
2.根据权利要求1所述的用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料的制备方法，其特征在于：所述混合粉末中W含量为18％、B含量为2.5％、C含量为0.4％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料的制备方法，其特征在于：所述混合粉末模压成型时的模压压强不低于400Mpa。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料的制备方法，其特征在于：所述压胚在真空度不低于10-3pa的条件下真空烧结。
5.根据权利要求4所述的用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料的制备方法，其特征在于：所述压胚真空烧结的温度为1450℃，烧结时间为45min-60min。
6.根据权利要求5所述的用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料的制备方法，其特征在于：所述压胚真空烧结过程中控制升温速度为10℃/min。
7.一种用于屏蔽核辐射的Fe-W-B-C合金材料，其特征在于：采用权利要求1-6中任意一项所述的制备方法制备得到。
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