CN109402477B - 屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料及制备方法 - Google Patents

屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于复合屏蔽材料技术领域的一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料及制备方法。以质量百分比计，所述铝基复合材料包括75％～90％钨元素、0.5％～3％硼元素、余量的铝或铝合金；钨元素原料选自钨、碳化钨、氧化钨、硼化钨中的一种或多种；硼元素原料选自碳化硼和/或硼化钨；具体通过在惰性气体保护下混合原料粉末，然后经冷等静压、热等静压成型处理制得铝基复合材料；本发明提供的铝基复合材料致密度达到99％以上，具备良好的屏蔽性能、力学性能、耐热性能和加工性能，应用于核反应堆中对高剂量γ射线和热中子的屏蔽，特别适用于对核反应堆中高剂量γ射线泄漏区域的屏蔽。

Description

屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于复合屏蔽材料技术领域，特别涉及一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料及制备方法。
背景技术
随着核技术的推广应用，核辐射屏蔽问题的研究也受到广泛重视。反应堆产生的辐射中，危害最大的是穿透力大的γ射线和中子。
目前广泛应用的核反应堆屏蔽材料包括重晶石或铁矿石的混凝土、硼钢和铅硼聚乙烯等。但上述材料在某些性能，如屏蔽性能、力学性能、耐热性能和可加工性能等方面均存在着一些缺陷，导致材料的综合性能较差。尤其对高剂量的γ射线辐射，上述材料的屏蔽性能还不能较好地满足高性能核反应堆提出的更高要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料及制备方法，具体技术方案如下：
一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料，以质量百分比计，所述铝基复合材料包括75％～90％钨元素、0.5％～3％硼元素、余量的铝或铝合金；
所述钨元素原料选自钨、碳化钨、氧化钨、硼化钨中的一种或多种；
所述硼元素原料选自碳化硼和/或硼化钨。
所述铝基复合材料还含有碳元素、氧元素和其它不可避免的杂质元素。
所述硼化钨为W2B5和/或W2B。
所述纯铝为工业纯铝和/或高纯铝，所述铝合金为6061Al合金和/或Al-Si合金。
所述铝基复合材料的制备方法为，在惰性气体保护下混合原料粉末，然后经冷等静压、热等静压成型处理制得铝基复合材料。
所述原料粉末采用双锥高效混料机进行混料，研磨介质为轴承钢珠，研磨介质与原料粉末的质量比为0.5:1，混料时间为8～24小时。
将所述冷等静压完成后所得坯锭装入铝包套包封，并留有排气口，经过高温脱气后进行热等静压成型。
所述冷等静压压强为50～150MPa，保压时间为5min～30min。
所述高温脱气具体为将包封后的坯料在400～500℃温度下进行除气，直至铝包套内真空度达到1×10-2Pa后将铝包套封口。
热等静压温度为500～650℃，压强为70～150MPa，保压2～6小时。
所述铝基复合材料或制备方法制备的铝基复合材料由于材料中钨元素含量高，该材料对高剂量γ射线具有很好的屏蔽效果：6cm厚度的铝基复合材料能使137Csγ射线的透过率降至3％以下；同时由于含有一定量的硼元素，该材料还兼具良好的热中子吸收效果：6cm厚度的铝基复合材料对热中子的吸收率大于99％。
本发明的有益效果为：本发明制备的铝基复合材料致密度达到99％以上，具备优异的屏蔽性能、力学性能、耐热性能和加工性能，可应用于核反应堆中对高剂量γ射线和热中子的屏蔽，特别适用于对核反应堆中高剂量γ射线泄漏区域的屏蔽，能够较好地满足核反应堆对高剂量γ射线辐射屏蔽提出的更高要求，对核反应堆屏蔽材料的丰富拓展具有重要的意义。
具体实施方式
本发明提供了一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料及制备方法，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
以质量百分比计，本发明提供的一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料包括75％～90％钨元素、0.5％～3％硼元素和余量的铝或铝合金。钨元素原料选自钨、碳化钨、氧化钨、硼化钨中的一种或多种；硼元素原料选自碳化硼和/或硼化钨；原料均选用粉末态，易于混合。
具体地，钨元素原料优选为钨粉(W粉)、碳化钨粉(WC粉)、氧化钨粉(WO3粉)、硼化钨粉(W2B5粉、W2B粉)。
硼元素原料优选使用碳化硼粉(B4C粉)、硼化钨粉(W2B5粉、W2B粉)。
铝优选工业纯铝粉、高纯铝粉中的一种或两种，铝合金优选为6061Al合金粉、Al-Si合金粉中的一种或两种。
可以理解的是，硼化钨粉(W2B5粉、W2B粉)同时含有钨元素、硼元素，可同时作为钨元素、硼元素的原料直接与铝或铝合金混合制备屏蔽高剂量γ射线和热中子铝基复合材料。
可以理解的是，本发明提供的一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料中还含有碳元素、氧元素，其中碳元素、氧元素来自于碳化钨粉(WC粉)、氧化钨粉(WO3粉)、碳化硼粉(B4C粉)等原料，其含量根据钨元素、硼元素质量百分比确定的含C、O的原料加入量确定而确定。
可以理解的是，本发明提供的一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料中还含有其它不可避免的杂质元素。
所述屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料采用粉末冶金法制备，具体步骤为：
(1)按成分配比称取原料粉末
根据钨元素、硼元素质量百分比称取钨元素原料、硼元素原料，再根据目标总原料质量称取余量的铝或铝合金；
(2)步骤(1)称取的原料粉末采用双锥高效混料机进行混料，混料过程中冲入惰性气体如氩气保护，研磨介质为轴承钢珠，研磨介质与混合粉末的质量百分比为0.5:1，混料时间为8～24小时。
(3)将步骤(2)所得混合粉末采用冷等静压方法压制初坯，冷等静压压强为50～150MPa，保压时间为5min～30min；
(4)将冷等静压初坯放入铝包套中进行封焊，并留有排气口，进行高温脱气：将包封后的坯料在400～500℃温度下进行除气，当包套内真空度达到1×10-2Pa后将包套封口。
(5)将步骤(4)脱气后坯锭进行热等静压，热等静压温度为500～650℃，压强为70～150MPa，保压2～6小时；
(6)去除铝包套，得到铝基复合材料。
实施例1
配置粉末，分别称量钨粉7.5kg，B4C粉0.385kg，高纯铝粉2.115kg，轴承钢珠5kg，放入混料机，冲入氩气，设置混料时间为8小时，混料后过筛出料。将混合粉末填入冷等静压包套进行冷等静压，冷等静压压力为50MPa，保压5min。将冷压坯锭放入纯铝包套封焊，然后于400℃进行除气、封口。热等静压坯锭，热等静压温度为500℃，压力为70MPa，保压2小时。热等静压后通过机加工去除纯铝包套，得到复合材料锭材。
测得复合材料锭材中的B元素含量为3％。测试结果表明，所得复合材料锭材的致密度为99.3％，6cm厚度的铝基复合材料使137Csγ射线的透过率降至3％以下，对热中子的吸收率大于99％。
实施例2
配置粉末，分别称量WC粉8kg，B4C粉0.1kg，工业纯铝粉1.9kg，轴承钢珠5kg，放入混料机，冲入氩气，设置混料时间为24小时，混料后过筛出料。将混合粉末填入冷等静压包套进行冷等静压，冷等静压压力为150MPa，保压20min。将冷压坯锭放入纯铝包套封焊，然后于490℃进行除气、封口。热等静压坯锭，热等静压温度为580℃，压力为130MPa，保压4小时。热等静压后通过机加工去除纯铝包套，得到复合材料锭材。
测试结果表明，所得复合材料锭材的致密度为100％，6cm厚度的铝基复合材料使137Csγ射线的透过率降至2％以下，对热中子的吸收率大于99％。
实施例3
配置粉末，分别称量钨粉9kg，B4C粉0.064kg，高纯铝粉0.936kg，轴承钢珠5kg，放入混料机，冲入氩气，设置混料时间为12小时，混料后过筛出料。将混合粉末填入冷等静压包套进行冷等静压，冷等静压压力为100MPa，保压30min。将冷压坯锭放入纯铝包套封焊，然后于500℃进行除气、封口。热等静压坯锭，热等静压温度为550℃，压力为120MPa，保压6小时。热等静压后通过机加工去除纯铝包套，得到复合材料锭材。
测得材料中的B元素含量为0.5％。其它性能测试结果表明，材料的致密度为99.8％，6cm厚度的铝基复合材料使137Csγ射线的透过率降至1％以下，对热中子的吸收率大于99％。
实施例4
配置粉末，分别称量WO3粉2kg，W粉6kg，B4C粉0.1kg，6061Al合金粉1.9kg，轴承钢珠5kg，放入混料机，冲入氩气，设置混料时间为24小时，混料后过筛出料。将混合粉末填入冷等静压包套进行冷等静压，冷等静压压力为150MPa，保压30min。将冷压坯锭放入纯铝包套封焊，然后于450℃进行除气、封口。热等静压坯锭，热等静压温度为650℃，压力为130MPa，保压3小时。热等静压后通过机加工去除纯铝包套，得到复合材料锭材。
测试结果表明，材料的致密度为99.8％，6cm厚度的铝基复合材料使137Csγ射线的透过率降至3％以下，对热中子的吸收率大于99％。
实施例5
配置粉末，分别称量W2B粉7.8kg，Al-Si合金粉2.2kg，轴承钢珠5kg，放入混料机，冲入氩气，设置混料时间为24小时，混料后过筛出料。将混合粉末填入冷等静压包套进行冷等静压，冷等静压压力为100MPa，保压30min。将冷压坯锭放入纯铝包套封焊，然后于450℃进行除气、封口。热等静压坯锭，热等静压温度为580℃，压力为120MPa，保压4小时。热等静压后通过机加工去除纯铝包套，得到复合材料锭材。
测试结果表明，材料的致密度为99.4％，6cm厚度的铝基复合材料使137Csγ射线的透过率降至3％以下，对热中子的吸收率大于99％。
实施例6
配置粉末，分别称量W2B5粉2kg，W粉6kg，工业纯铝粉2kg，轴承钢珠5kg，放入混料机，冲入氩气，设置混料时间为24小时，混料后过筛出料。将混合粉末填入冷等静压包套进行冷等静压，冷等静压压力为100MPa，保压30min。将冷压坯锭放入纯铝包套封焊，然后于450℃进行除气、封口。热等静压坯锭，热等静压温度为580℃，压力为120MPa，保压4小时。热等静压后通过机加工去除纯铝包套，得到复合材料锭材。
测试结果表明，材料的致密度为99.8％，6cm厚度的铝基复合材料使137Csγ射线的透过率降至3％以下，对热中子的吸收率大于99％。
实施例7
配置粉末，分别称量钨粉8.1kg，B4C粉0.1kg，高纯铝粉1.8kg，轴承钢珠5kg，放入混料机，冲入氩气，设置混料时间为12小时，混料后过筛出料。将混合粉末填入冷等静压包套进行冷等静压，冷等静压压力为100MPa，保压15min。将冷压坯锭放入纯铝包套封焊，然后于470℃进行除气、封口。热等静压坯锭，热等静压温度为550℃，压力为120MPa，保压4小时。热等静压后通过机加工去除纯铝包套，得到复合材料锭材。
测试结果表明，材料的致密度为100％，6cm厚度的铝基复合材料使137Csγ射线的透过率降至2％以下，对热中子的吸收率大于99％。

Claims (10)

1.一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，以质量百分比计，所述铝基复合材料包括75.8％～90％钨元素、0 .5％～0.79％硼元素、余量的铝或铝合金；
所述钨元素原料选自钨、碳化钨、氧化钨、硼化钨中的一种或多种；
所述硼元素原料选自碳化硼和/或硼化钨；
在惰性气体保护下混合原料粉末，经冷等静压、热等静压成型处理制得铝基复合材料；将所述冷等静压完成后所得坯锭装入铝包套包封，并留有排气口，经过高温脱气后进行热等静压成型，所述冷等静压压强为50～150MPa，保压时间为5min～30min；热等静压温度为500～650℃，压强为70～150MPa，保压2～6小时；
所述铝基复合材料材料对高剂量γ射线具有很好的屏蔽效果：6cm厚度的铝基复合材料能使137Csγ射线的透过率降至3％以下；同时所述铝基复合材料材料还兼具良好的热中子吸收效果：6cm厚度的铝基复合材料对热中子的吸收率大于99％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝基复合材料还含有碳元素、氧元素和其它不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的铝基复合材料制备方法，其特征在于，所述硼化钨为W2B5和/或W2B。
4.根据权利要求1所述的铝基复合材料制备方法，其特征在于，所述铝为工业纯铝和/或高纯铝，所述铝合金为6061Al合金和/或Al-Si合金。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用双锥高效混料机进行混料，研磨介质为轴承钢珠，研磨介质与原料粉末的质量比为0 .5:1，混料时间为8～24小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温脱气具体为将包封后的坯料在400～500℃温度下进行除气，直至铝包套内真空度达到1×10-2Pa后将铝包套封口。
7.一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，分别称量WC粉8kg，B4C粉0.1kg，工业纯铝粉1.9kg，轴承钢珠5kg，放入混料机，冲入氩气，设置混料时间为24小时，混料后过筛出料；将混合粉末填入冷等静压包套进行冷等静压，冷等静压压力为150MPa，保压20min；将冷压坯锭放入纯铝包套封焊，然后于490℃进行除气、封口；热等静压坯锭，热等静压温度为580℃，压力为130MPa，保压4小时；热等静压后通过机加工去除纯铝包套，得到复合材料锭材；测试结果表明，所得复合材料锭材的致密度为100％，6cm厚度的铝基复合材料使137Csγ射线的透过率降至2％以下，对热中子的吸收率大于99％。
8.一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，分别称量钨粉9kg，B4C粉0.064kg，高纯铝粉0.936kg，轴承钢珠5kg，放入混料机，冲入氩气，设置混料时间为12小时，混料后过筛出料；将混合粉末填入冷等静压包套进行冷等静压，冷等静压压力为100MPa，保压30min；将冷压坯锭放入纯铝包套封焊，然后于500℃进行除气、封口；热等静压坯锭，热等静压温度为550℃，压力为120MPa，保压6小时；热等静压后通过机加工去除纯铝包套，得到复合材料锭材；测得材料中的 B元素含量为0 .5％；其它性能测试结果表明，材料的致密度为99 .8％，6cm厚度的铝基复合材料使137Csγ射线的透过率降至1％以下，对热中子的吸收率大于99％。
9.一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，分别称量WO3粉2kg，W粉6kg，B4C粉0.1kg，6061Al合金粉1.9kg，轴承钢珠5kg，放入混料机，冲入氩气，设置混料时间为24小时，混料后过筛出料；将混合粉末填入冷等静压包套进行冷等静压，冷等静压压力为150MPa，保压30min；将冷压坯锭放入纯铝包套封焊，然后于450℃进行除气、封口；热等静压坯锭，热等静压温度为650℃，压力为130MPa，保压3小时；热等静压后通过机加工去除纯铝包套，得到复合材料锭材；测试结果表明，材料的致密度为99 .8％，6cm厚度的铝基复合材料使137Csγ射线的透过率降至3％以下，对热中子的吸收率大于99％。
10.一种屏蔽高剂量γ射线和热中子的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，分别称量钨粉8.1kg，B4C粉0.1kg，高纯铝粉1.8kg，轴承钢珠5kg，放入混料机，冲入氩气，设置混料时间为12小时，混料后过筛出料；将混合粉末填入冷等静压包套进行冷等静压，冷等静压压力为100MPa，保压15min；将冷压坯锭放入纯铝包套封焊，然后于470℃进行除气、封口；热等静压坯锭，热等静压温度为550℃，压力为120MPa，保压4小时；热等静压后通过机加工去除纯铝包套，得到复合材料锭材；测试结果表明，材料的致密度为100％，6cm厚度的铝基复合材料使137Csγ射线的透过率降至2％以下，对热中子的吸收率大于99％。
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