CN108251689A

CN108251689A - 具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金

Info

Publication number: CN108251689A
Application number: CN201810113156.9A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2018-07-06

Abstract

本发明公开了具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb‑Li‑Zr铅锂合金及其加工工艺。按照重量百分比，该合金的成分为：Li:1.2‑2.5wt.%,Zr:0.2‑0.4wt.%,Sm:0.2‑0.3wt.%,In:0.3‑0.5wt.%，Ni:0.4‑0.5wt.%,Sn:0.2‑0.5wt.%,余量为铅。该铅锂合金具有传统屏蔽材料用铅合金不具备的高温稳定性能,并具备强的抗腐蚀能力。用于热带环境下的核堆、医用放射源屏蔽、核废料处理等领域，可以有效地保障核反应堆系统的安全运行、提高系统运行寿命。

Description

具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铅锂合金。

背景技术

在能源日趋匾乏的二十一世纪，核电将成为最主要的清洁、高效、可靠的能源。核反应堆运行过程中，堆芯将产生辐射。其中尤其以γ射线和中子的穿透力较强，因而可对周边物体和人员产生辐照损伤。因此有效屏蔽γ射线和中子是核反应堆提高安全可靠性的必要要求，在国防和民用领域都极具意义。

对核能利用显示了一个国家的综合实力，标志着国家的国防力量和国民经济水平。为了保障了核反应堆系统的安全运行、提高系统运行寿命，必须对核反应堆系统进行屏蔽处理，用具有高可靠性的核屏蔽设施来衰减射线。可以预见，随着核能应用日趋扩大，人们对安全和环境保护的越来越重视。在核原料储运、反应堆运行到核废料的填埋处理等环节上，对核屏蔽材料提出了更高的要求。

屏蔽材料是根据其在不同核反应中的特殊应用而设计制备的，材料的屏蔽效果是最重要的因素。另外，材料的物理力学性能、抗辐照性能、热稳定性等也必须加以综合考虑。随着快堆、动力堆及其它可携带辐射源应用的增加，传统屏蔽材料已难以满足现代辐射防护的特殊要求，如航空和武器领域不仅需要材料具有良好的综合屏蔽性能，而且对材料的机械物理性能也有很高的要求。结构和功能性一直是屏蔽材料设计的一大矛盾。

国内外对屏蔽合金材料已进行了大量的研究，很多屏蔽材料已得到广泛的应用。一般来说，大多的屏蔽合金材料含有铅或者是铅合金。屏蔽铅合金具有很独特的性能：(1)性能优良、成本适中、工艺成熟。在核石油勘探等领域存在着较大应用前景。有良好的多重辐射屏蔽性能。(2)第二相由于稳定性高，不会因长期保持而导致合金软化，从而可使铅得到有效的强化，在较高温度下也能保持较高的强度性质。(3)拥有良好的延展性能，可以有效降低铅合金的加工难度，满足作为结构工程材料使用的需要。

人们不断追求合金性能和加工性能的最佳组合的来满足日益提升的要求。目前，在欧美、日本等发达国家已经通过几十年的努力对核反应堆合金材料进行了多方位的创新。我国目前的屏蔽材料用合金的产品还很单一,在有温度要求的工作环境中不能适用。开发具备特殊性能铅合金有两种方法，一种是加入合金元素通过固溶强化来强化基体，另一种是通过加入第二相强化相形成铅基复合材料。在铅合金中加入锂后，通过优化合金的成分和配比能使得铅合金的有良好的多重辐射屏蔽性能。

铅锂合金在熔炼和成型过程中极易发生氧化、燃烧甚至爆炸，不仅给零件的成型与性能造成危害，还很容易伤及人体和污染环境。铅锂合金产业化的一个重要方向就是如何阻止其高温下的氧化燃烧。目前冶炼工业中常采用氯化盐熔剂保护法与惰性气体保护法。但是，这两种方法都有其难以避免的缺陷，如易产生有毒气体污染环境和造成熔剂夹杂而损害合金性能。此外，熔炼、浇注设备和工艺复杂，加大了成本。解决铅锂合金在大气中熔炼时产生燃烧的另一个途径是向铅锂合金中添加合金元素，通过合金化的方法达到阻燃目的。

合金化阻燃法其机理是在铅锂合金熔炼过程中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化和氮化的目的，并且铅锂合金在后续加工过程中的氧化燃烧的倾向大大降低，从而提高铅锂合金的加工安全性。铅锂合金不仅具备优异的强度性能,其耐高温性能也远远高于现有的屏蔽材料用铅合金。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在350-400度大气条件下进行熔炼的具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金及其加工工艺。且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有铅锂合金材料所需要优异的高温强度和高的屏蔽能力。该方法还具有生产成本低，便于大规模生产的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 1.2-2.5wt.%,Zr:0.2-0.4wt.%,Sm:0.2-0.3wt.%,In:0.3-0.5wt.%，Ni:0.4-0.5wt.%,Sn:0.2-0.5wt.%,余量为铅。该铅锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.0-3.0wt.%左右。

上述具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到350-400度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在350-400度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为10-15m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10-15%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：140度，2.0个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理215度，2.8小时；真空时效处理130度，1.4小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明专利针对目前屏蔽材料用铅合金的高温性能还不能完全满足现有需求的现状提供了一种新颖的材料学解决方案。该合金具有极其优异的阻燃性能，可以达到在350-400温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的燃烧。在对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，能快速再生，成功阻碍合金的燃烧。且该铅锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于3.0wt.%左右。

（2）锂的加入让铅锂合金的密度比多数合金的密度都要低。且随着锂含量的增加，其密度还会进一步降低。铅锂合金有很高的强度，其强度不会因为锂含量的增加而发生明显变化，而且可以通过添加铜、镁、锌等元素进一步提高合金的强度。铅锂合金拥有很高的刚度，抗变形能力强，其刚度随着锂含量的增加还会进一步提高。

（3）该合金成功地解决了铅与合金元素之间的物理、化学相容性及界面相容性问题，克服了组元间的比重差，实现了合金元素和合金相在铅基体中的均匀分布。具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。

（4）相对于传统的屏蔽材料用铅合金，本专利申请保护的具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金具有极其优异的高温性能。在室温下, 该合金的抗拉强度达到320-340MPa。在100度,该合金的抗拉强度达到280-320MPa。而传统屏蔽材料用铅合金的室温和100度下的抗拉强度分别为230-250MPa和150-180MPa。此外,该材料在海洋性气氛下腐蚀速度为1.8×10^-3mm/年。因而在海洋性环境下，该材料可以安全使用20年以上而没有明显的腐蚀发生。用于热带环境下的核堆、医用放射源屏蔽、核废料处理等领域，可以有效地保障核反应堆系统的安全运行、提高系统运行寿命。

具体实施方式

实施例1

一种在350度熔炼具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 1.6wt.%,Zr:0.3wt.%,Sm:0.2wt.%,In:0.4wt.%，Ni:0.4wt.%, Sn:0.4wt.%,余量为铅。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到350度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在350度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为12m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：140度，2.0个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理215度，2.8小时；真空时效处理130度，1.4小时。

相对于传统的屏蔽材料用铅合金，本专利申请保护的具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金具有极其优异的高温性能。在室温下, 该合金的抗拉强度达到326MPa。在100度,该合金的抗拉强度达到304MPa。而传统屏蔽材料用铅合金的室温和100度下的抗拉强度分别为230-250MPa和150-180MPa。此外,该材料在海洋性气氛下腐蚀速度为1.8×10^-3mm/年。因而在海洋性环境下，该材料可以安全使用20年以上而没有明显的腐蚀发生。用于热带环境下的核堆、医用放射源屏蔽、核废料处理等领域，可以有效地保障核反应堆系统的安全运行、提高系统运行寿命。该铅锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.4wt.%左右。

实施例2

一种在370度熔炼具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 2.0wt.%,Zr:0.2wt.%,Sm:0.2wt.%,In:0.3wt.%，Ni:0.4wt.%, Sn:0.4wt.%,余量为铅。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到370度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在370度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为10m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为12%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：140度，2.0个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理215度，2.8小时；真空时效处理130度，1.4小时。

相对于传统的屏蔽材料用铅合金，本专利申请保护的具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金具有极其优异的高温性能。在室温下, 该合金的抗拉强度达到336MPa。在100度,该合金的抗拉强度达到285MPa。而传统屏蔽材料用铅合金的室温和100度下的抗拉强度分别为230-250MPa和150-180MPa。此外,该材料在海洋性气氛下腐蚀速度为1.8×10^-3mm/年。因而在海洋性环境下，该材料可以安全使用20年以上而没有明显的腐蚀发生。用于热带环境下的核堆、医用放射源屏蔽、核废料处理等领域，可以有效地保障核反应堆系统的安全运行、提高系统运行寿命。该铅锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.4wt.%左右。

实施例3

一种在390度熔炼具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 1.5wt.%,Zr:0.2wt.%,Sm:0.2wt.%,In:0.4wt.%，Ni:0.4wt.%, Sn:0.3wt.%,余量为铅。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到390度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在390度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为12m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为14%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：140度，2.0个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理215度，2.8小时；真空时效处理130度，1.4小时。

相对于传统的屏蔽材料用铅合金，本专利申请保护的具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金具有极其优异的高温性能。在室温下, 该合金的抗拉强度达到335MPa。在100度,该合金的抗拉强度达到281MPa。而传统屏蔽材料用铅合金的室温和100度下的抗拉强度分别为230-250MPa和150-180MPa。此外,该材料在海洋性气氛下腐蚀速度为1.8×10^-3mm/年。因而在海洋性环境下，该材料可以安全使用20年以上而没有明显的腐蚀发生。用于热带环境下的核堆、医用放射源屏蔽、核废料处理等领域，可以有效地保障核反应堆系统的安全运行、提高系统运行寿命。该铅锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.7wt.%左右。

Claims

1.一种具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金；按照重量百分比，该合金的成分为：Li: 1.2-2.5wt.%,Zr:0.2-0.4wt.%,Sm:0.2-0.3wt.%,In:0.3-0.5wt.%，Ni:0.4-0.5wt.%, Sn:0.2-0.5wt.%,余量为铅。

2.根据权利要求1所述具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金，其特征在于包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到350-400度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在350-400度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为10-15m/min。

3.根据权利要求1所述具备高温热稳定性的耐腐蚀Pb-Li-Zr铅锂合金，其特征在于包含如下加工步骤：将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10-15%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：140度，2.0个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理215度，2.8小时；真空时效处理130度，1.4小时。