CN110184497A - 一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺。按重量百分比计,该合金组成为:Se:0.1‑0.2wt.%,Sb:5.0‑15.0wt.%,In:20.0‑25.0wt.%,V:0.5‑1.0wt.%,Ag:1.5‑2.0wt.%,Pb:10.0‑15.0wt.%,Cd:5.0‑10.0wt.%,余量为锡。本专利提供了一种液态金属类型的减振合金材料，且通过简单的热源就能将该材料涂覆在要进行减振的空隙中。特点是工艺装备简单，操作技术容易掌握，施工费用低，减振效果显著。

Description

一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铅合金。
背景技术
核能的使用和研发是衡量一个国家国防力量和国民经济水平的重要标志。核电在能源非常匮乏的二十一世纪已经成为清洁，高效和可靠的能量来源。因而，核能的研究和产业化是各国广为关注的领域。在反应堆的正产工作过程中，需要很多的机械设施来配合。因而，在现代的核工业中，由于机械的振动而产生的污染和危害也越来越严重。
振动和噪音对仪器设备和人体健康带来的灾难性后果是多方面的。对仪器设备而言，振动可以显著降低仪器的精度和设备的使用寿命。同时对机械振动和噪音的控制已经成为机械产品在市场中竞争的很重要指标之一。更为严重的是，目前将近80%的事故和设备损害是由于振动引起的。对人体健康而言，振动和噪音会引起血压和心率的不稳定，血管形态和张力的改变，心动过缓和心律不齐，听力下降和受损等疾病。同时，振动还会增大核产物泄露的可能性，对环境保护提出了非常严重的挑战。
通过材料的阻尼性能可以将振动的机械能量转换为热量而不可逆的耗散掉。同时，由于采用阻尼机制进行的振动和噪音抑制在结构和体积上并不改变原有的机械设计，因而利用阻尼性能在减振和降噪方面具有非常重要的产业价值。阻尼合金减振的机理是内部的微观组织结构在受到外力的作用下发生振动的时候具有阻尼松弛作用。反应堆工作中会通过核裂变反应产生大量的中子和伽马射线等。为了阻挡它们要在反应堆周围设备保护的屏蔽层来避免放射性的危害。因而在核工业领域，即具有阻尼性能又能屏蔽核辐射产物的材料是最理想的选择。
液态金属是近些年出现的一种新型的合金材料，液态金属目前在散热领域和电子领域已经取得了非常大的应用范围，已经变成散热金字塔顶端的选项。此外，在生物领域，液态金属可以用于制备骨泥材料用于修复断骨。在电子器件领域，液态金属可以用于制备柔性导线和柔性天线而在国防工业发挥重大的作用。由于核发电的作用在国民经济领域越来越突出，使得核反应堆的振动问题越来越受到重视。液态金属的形态是多变的，从材料学的角度可以设计为纯液态，膏状和箔状。因而，液态金属的熔点可以在室温到几百度范围内变化。同时，通过优化该类合金的热力学特性，还可以在规定的温度下表现出特定的相特性（相的种类和数量）。因而，本专利公布了一种用于核工业领域的兼具阻尼性能和防辐射性能的新型液态金属及其工艺。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺。该材料不仅与基体合金具有极其优异的结合力，且使用方法简单，减振降噪效果突出。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺。按重量百分比计,该合金组成为Se:0.1-0.2wt.%,Sb:5.0-15.0wt.%,In:20.0-25.0wt.%,V:0.5-1.0wt.%,Ag:1.5-2.0wt.%,Pb:10.0-15.0wt.%,Cd:5.0-10.0wt.%,余量为锡。
上述一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺，包括如下的加工和使用步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用氧化镁或者氧化铝坩埚进行氩气保护下的熔炼；在500-600度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，把熔化好的合金熔液表面的渣滓刮去，倒在铁模具内浇铸成棒状（长约200-300毫米，宽为8-10毫米，厚约3-5毫米为宜）；（b）去污：将待施加液态金属的部位进行去油污擦拭；用镊子夹脱脂棉蘸丙酮进行擦拭，直至棉团不呈黑色为止；（c）去锈: 将待施加液态金属的部位用镊子夹脱脂棉蘸酸洗液(稀盐酸)擦拭，使残存的铁锈起化学反应，生成氯化铁和水；用镊子夹脱脂棉蘸蒸馏水洗擦酸洗部位，以稀释和擦掉剩余的盐酸与氯化铁；（d）涂抹:用电烙铁加热至100-150度左右；然后左手持液态金属条使一端与涂抹部位成20-30度夹角相接触，右手用电烙铁将液态金属条熔切；并同时利用电烙铁的平面将处于固液态的液态金属材料抹平使之完全填充目标区域；（e）修整:用刮刀刮平填补料，并用细的砂纸磨平即可。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）阻尼合金是依靠内部的阻尼机制在受到外力作用下变形的过程中实现的，因此将阻尼合金同基体进行力学上的耦合是目前阻尼合金最广泛的使用方式。常见的方法如图1中（a）所示，其中阻尼合金做成片状，通过铆钉的方法和基体连接在一起。因而当基体在外力的作用下产生机械振动时，阻尼合金在铆钉的作用下会和基体一起发生变形。在这种力学的耦合作用下，阻尼合金内部在变形的过程中便可以将机械能转换为热能而不可逆的耗散掉。本专利申请保护的基于液态金属类型的阻尼合金，由于在较高的温度下能以半固态的方法涂抹到待减振器件的缝隙中，如图1中（b）所示。因而，在冷区到室温后，形成与基体紧密结合的界面。当基体在外力的作用下受力变形时，液态金属也能与基体同时发生变形而启动内部的阻尼机制，实现高效的减振降噪。这种设计思路是一种非常创新型的方法，完全克服了传统阻尼合金在使用时需要进行铆接的办法，在最大程度上实现了自由度的提升。
（2）由于是铅基合金，该材料在用于核反应堆的阻尼材料外，还可以起到非常优秀的屏蔽材料的作用。因而可以用来有效地衰减射线，起到屏蔽作用，保障核反应堆系统和环境安全。该材料用于核工业领域，可以作为屏蔽材料吸收多种反应堆的放射产物，保障了核反应堆周围的安全性。该材料摒弃了传统阻尼合金需要焊接或者铆接的使用方法。通过在合适的温度下通过涂抹的方式安置在需要减振的缝隙部位，在冷却下来后就可以表现出与基体材料优异的结合力。该材料使用方法简单，减振降噪效果突出，在实际使用中可以大大降低相关领域的振动影响，具有非常先进的技术价值。
（3）本专利申请保护的液态金属类的阻尼合金，在基体的缝隙涂抹后便能于基体产生很强的结合力（发生了原子级别的扩散和作用），因而在长时间经受极端环境后（升温或者海洋性腐蚀环境）能体现出非常优异的工作稳定性。同时，传统的阻尼合金的使用办法如上所述，是通过加工成板状且与基体通过铆钉的办法来耦合的。这个使用要求需要对结构进行重新设计，因而工作量大，且成本很高，而且可能会降低原有机械工作时的效率和稳定性，造成实际过程的复杂性。且在结构已经定型后要继续改进提升减振性能非常困难。本专利申请保护的液态金属型阻尼合金，通过在温度升高后变为半固态（固液两相状态）就在机械原有结构的基础上进行涂抹式的灌装液态金属来进行减振，具有非常低的工作量和施工周期。由于过程中使用的热源温度小于150度且属于局部加热，因而不会引起基体材料的变形。
（4）该材料的熔点范围为200-260度，在涂抹的工作温度下（100-150度）处于半固态（也就是固-液两相状态）。在该工作温度下，固相的体积比为70-80%。因而，该材料的涂抹的工作温度下具有非常优异的填充性能和在烙铁工作平面下的变形协调能力。从而避免了在涂抹过程中由于液相含量过高而产生四处流动的现象，方便施工。同时，该材料在凝固过程中会发生体积膨胀，体积会增大2-4%。因此，采用这种材料进行机械填缝后能够使得液态金属与基体产生牢固的结合，为高效减振提供了结构基础。
（5）该材料具有非常优异的力学性能和阻尼性能。在室温下，该材料的力学性能为：弹性模量为40-50GPa，屈服强度为250-300MPa，抗拉强度为380-400MPa，延伸率为5-8%。阻尼性能为：常温下的SDC为10-12%。此外，该材料还有非常突出的硬度，HBS可以达到70-90HBS，在使用过程中可以避免表面划痕的产生。由于工艺装备简单，操作技术容易掌握，修理费用低。且在振动比较大的场合下能够维持基体和减振材料的界面的理想结合，避免了界面裂纹和缺陷的产生和扩展。在实施和产业化后，不仅可以解决行业难题，同时也能获得极大的市场价值。
附图说明
图1是传统的减振材料和本专利申请液态金属型减振材料的使用示意图。其中（a）表示了传统减振合金的使用方法，其中必须用到铆接的方式，（b）表示了本专利申请保护的液态金属型的阻尼合金通过涂覆和填缝的方式就能达到和基体变形耦合，从而进行高效减振的工作方式。
具体实施方式
实施例1
一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺。按重量百分比计,该合金组成为: Se:0.1wt.%,Sb:8.0wt.%,In:21.0wt.%,V:0.5wt.%,Ag:1.5wt.%,Pb:12.0wt.%,Cd:5.0wt.%,余量为锡。
上述一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺，包括如下的加工和使用步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用氧化镁或者氧化铝坩埚进行氩气保护下的熔炼；在500度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，把熔化好的合金熔液表面的渣滓刮去，倒在铁模具内浇铸成棒状（长约200毫米，宽为8毫米，厚约3毫米为宜）；（b）去污：将待施加液态金属的部位进行去油污擦拭；用镊子夹脱脂棉蘸丙酮进行擦拭，直至棉团不呈黑色为止；（c）去锈: 将待施加液态金属的部位用镊子夹脱脂棉蘸酸洗液(稀盐酸)擦拭，使残存的铁锈起化学反应，生成氯化铁和水；用镊子夹脱脂棉蘸蒸馏水洗擦酸洗部位，以稀释和擦掉剩余的盐酸与氯化铁；（d）涂抹:用电烙铁加热至150度左右；然后左手持液态金属条使一端与涂抹部位成20-30度夹角相接触，右手用电烙铁将液态金属条熔切；并同时利用电烙铁的平面将处于固液态的液态金属材料抹平使之完全填充目标区域；（e）修整:用刮刀刮平填补料，并用细的砂纸磨平即可。
该材料的熔点为240度，在涂抹的工作温度下（150度）处于半固态（也就是固-液两相状态）。在该工作温度下，固相的体积比为72%。因而，该材料的涂抹的工作温度下具有非常优异的填充性能和在烙铁工作平面下的变形协调能力。从而避免了在涂抹过程中由于液相含量过高而产生四处流动的现象，方便施工。同时，该材料在凝固过程中会发生体积膨胀，体积会增大2.1%。在室温下，该材料的力学性能为：弹性模量为42GPa，屈服强度为280MPa，抗拉强度为380MPa，延伸率为5.2%。阻尼性能为：常温下的SDC为10%。此外，该材料还有非常突出的硬度，HBS可以达到75HBS，在使用过程中可以避免表面划痕的产生。
实施例2
一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺。按重量百分比计,该合金组成为:Se:0.2wt.%,Sb: 15.0wt.%,In:25.0wt.%,V:1.0wt.%,Ag:2.0wt.%,Pb:15.0wt.%,Cd:10.0wt.%,余量为锡。
上述一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺，包括如下的加工和使用步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用氧化镁或者氧化铝坩埚进行氩气保护下的熔炼；在520度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，把熔化好的合金熔液表面的渣滓刮去，倒在铁模具内浇铸成棒状（长约300毫米，宽为10毫米，厚约5毫米为宜）；（b）去污：将待施加液态金属的部位进行去油污擦拭；用镊子夹脱脂棉蘸丙酮进行擦拭，直至棉团不呈黑色为止；（c）去锈: 将待施加液态金属的部位用镊子夹脱脂棉蘸酸洗液(稀盐酸)擦拭，使残存的铁锈起化学反应，生成氯化铁和水；用镊子夹脱脂棉蘸蒸馏水洗擦酸洗部位，以稀释和擦掉剩余的盐酸与氯化铁；（d）涂抹:用电烙铁加热至140度左右；然后左手持液态金属条使一端与涂抹部位成20-30度夹角相接触，右手用电烙铁将液态金属条熔切；并同时利用电烙铁的平面将处于固液态的液态金属材料抹平使之完全填充目标区域；（e）修整:用刮刀刮平填补料，并用细的砂纸磨平即可。
该材料的熔点为240度，在涂抹的工作温度下（140度）处于半固态（也就是固-液两相状态）。在该工作温度下，固相的体积比为75%。因而，该材料的涂抹的工作温度下具有非常优异的填充性能和在烙铁工作平面下的变形协调能力。从而避免了在涂抹过程中由于液相含量过高而产生四处流动的现象，方便施工。同时，该材料在凝固过程中会发生体积膨胀，体积会增大3%。在室温下，该材料的力学性能为：弹性模量为46GPa，屈服强度为290MPa，抗拉强度为385MPa，延伸率为6%。阻尼性能为：常温下的SDC为12%。此外，该材料还有非常突出的硬度，HBS可以达到78HBS，在使用过程中可以避免表面划痕的产生。
实施例3
一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺。按重量百分比计,该合金组成为: Se: 0.2wt.%,Sb:12.0wt.%,In:22.0wt.%,V:0.8wt.%,Ag:1.8wt.%,Pb:13.0wt.%,Cd:6.0wt.%,余量为锡。
上述一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺，包括如下的加工和使用步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用氧化镁或者氧化铝坩埚进行氩气保护下的熔炼；在530度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，把熔化好的合金熔液表面的渣滓刮去，倒在铁模具内浇铸成棒状（长约250毫米，宽为9毫米，厚约4毫米为宜）；（b）去污：将待施加液态金属的部位进行去油污擦拭；用镊子夹脱脂棉蘸丙酮进行擦拭，直至棉团不呈黑色为止；（c）去锈: 将待施加液态金属的部位用镊子夹脱脂棉蘸酸洗液(稀盐酸)擦拭，使残存的铁锈起化学反应，生成氯化铁和水；用镊子夹脱脂棉蘸蒸馏水洗擦酸洗部位，以稀释和擦掉剩余的盐酸与氯化铁；（d）涂抹:用电烙铁加热至130度左右；然后左手持液态金属条使一端与涂抹部位成20-30度夹角相接触，右手用电烙铁将液态金属条熔切；并同时利用电烙铁的平面将处于固液态的液态金属材料抹平使之完全填充目标区域；（e）修整:用刮刀刮平填补料，并用细的砂纸磨平即可。
该材料的熔点为250度，在涂抹的工作温度下（130度）处于半固态（也就是固-液两相状态）。在该工作温度下，固相的体积比为74%。因而，该材料的涂抹的工作温度下具有非常优异的填充性能和在烙铁工作平面下的变形协调能力。从而避免了在涂抹过程中由于液相含量过高而产生四处流动的现象，方便施工。同时，该材料在凝固过程中会发生体积膨胀，体积会增大3%。在室温下，该材料的力学性能为：弹性模量为42GPa，屈服强度为290MPa，抗拉强度为385MPa，延伸率为6%。阻尼性能为：常温下的SDC为11%。此外，该材料还有非常突出的硬度，HBS可以达到82HBS，在使用过程中可以避免表面划痕的产生。

Claims (2)

1.一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺；按重量百分比计，该合金组成为Se:0.1-0.2wt.%,Sb:5.0-15.0wt.%,In:20.0-25.0wt.%,V:0.5-1.0wt.%,Ag:1.5-2.0wt.%,Pb:10.0-15.0wt.%,Cd:5.0-10.0wt.%,余量为锡。
2.权利要求1所述一种核反应堆环境下降噪用液态金属材料及其加工工艺，其特征在于包括如下加工和使用步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用氧化镁或者氧化铝坩埚进行氩气保护下的熔炼；在500-600度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，把熔化好的合金熔液表面的渣滓刮去，倒在铁模具内浇铸成棒状（长约200-300毫米，宽为8-10毫米，厚约3-5毫米为宜）；（b）去污：将待施加液态金属的部位进行去油污擦拭；用镊子夹脱脂棉蘸丙酮进行擦拭，直至棉团不呈黑色为止；（c）去锈: 将待施加液态金属的部位用镊子夹脱脂棉蘸酸洗液(稀盐酸)擦拭，使残存的铁锈起化学反应，生成氯化铁和水；用镊子夹脱脂棉蘸蒸馏水洗擦酸洗部位，以稀释和擦掉剩余的盐酸与氯化铁；（d）涂抹:用电烙铁加热至100-150度左右；然后左手持液态金属条使一端与涂抹部位成20-30度夹角相接触，右手用电烙铁将液态金属条熔切；并同时利用电烙铁的平面将处于固液态的液态金属材料抹平使之完全填充目标区域；（e）修整:用刮刀刮平填补料，并用细的砂纸磨平即可。
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