CN110791697A - 一种具有综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料及其制备方法，解决了目前传统单一屏蔽材料已经很难满足当下辐射屏蔽的使用需求的问题。本发明包括不锈钢基材，以及添加到不锈钢基材中的钆，所述钆在不锈钢屏蔽材料中的重量百分含量为0.1％～10％。本发明的钆不锈钢能具有更好的中子和伽玛综合屏蔽性能，可直接作为结构材料用于屏蔽产品设计和制造，具有较好的耐高温、腐蚀效果，还能提高不锈钢力学性能。

Description

一种具有综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及核辐射屏蔽防护领域，具体涉及一种具有综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料及其制备方法。
背景技术
在反应堆工程、核燃料循环和核技术应用等领域，一旦发生核辐射事故将带来灾难性危害，引起公众普遍的“恐核心理”。随着核能技术的发展应用，由此带来的辐射安全与防护问题越来越重要，特别是中子和伽玛射线的综合屏蔽以及具有功能结构一体化屏蔽材料的需求日益突出。为适应核辐射屏蔽材料的应用需求，先后发展了含硼铸铁、屏蔽混凝土、铅硼聚乙烯、硼不锈钢等系列屏蔽材料。
混凝土含有多种元素，对中子和伽玛都有较好的屏蔽效果，但使用起来体积庞大、笨重，一般只适宜作为固定式的对体积庞大无严格要求的屏蔽体。
铅硼聚乙烯是目前使用较为广泛的屏蔽材料，由于氢含量高中子慢化效果明显，但聚乙烯熔点低，在100℃时开始软化且容易老化，导致很多环境下不能使用。
在铁基屏蔽材料中，含硼铸铁通常在灰铸铁中加入0.03～0.08wt％的B，为达到所需屏蔽效果必须增加厚度不易实现屏蔽结构轻量化。
在奥氏体不锈钢中加入≤2.0wt％的B形成的硼不锈钢，随B含量增加加工难度增大，含量超过1wt％B的硼不锈钢延展性极差加工成型极其困难，ASTM-887硼不锈钢中B最大含量为1.75～2.25wt％。
总之，传统单一屏蔽材料已经很难满足当下辐射屏蔽的使用需求，不能适应屏蔽结构功能结构一体化设计需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目前传统单一屏蔽材料已经很难满足当下辐射屏蔽的使用需求的问题，目的在于提供一种具有综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料及其制备方法，通过Gd的添加，不仅仅使不锈钢屏蔽材料具有较好塑性可加工性，以及较好的屏蔽性能，并且，Gd的添加还能细化Fe-Cr-Ni三元系的晶粒组织，提高不锈钢力学性能。
本发明通过下述技术方案实现：
一种具有中子和伽玛综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料，包括不锈钢基材，以及添加到不锈钢基材中的钆，所述钆在不锈钢屏蔽材料中的重量百分含量为0.1％～4.0％。
不锈钢是反应堆常用结构材料，力学性能好，耐腐蚀，易于加工，本身具有一定的中子和伽玛屏蔽效果。Gd与Fe、Cr、Ni之间具有一定固溶度，具有较好塑性和可加工性，通过屏蔽计算得知：含2wt.％Gd的钆不锈钢中子吸收截面远高于同等B含量的硼不锈钢，具有更好的中子屏蔽能力。因而，Gd的添加在达到提高屏蔽效果的同时具有较好塑性和可加工性，效果十分显著。
综上，钆不锈钢能具有更好的中子和伽玛综合屏蔽性能，可直接作为结构材料用于屏蔽产品设计和制造。
进一步，所述不锈钢屏蔽材料为奥氏体不锈钢。
本发明将钆加入奥氏体不锈钢中开发一种耐高温具有中子和伽玛综合屏蔽功能的钆-不锈钢屏蔽材料，契合当前屏蔽材料重量轻体积小、耐高温能阻燃、易于加工制造、功能结构一体化的发展方向。
进一步，按重量百分数计，本发明的钆不锈钢屏蔽材料包括：
Gd0.1～4.0％、Cr17.0～20.0％、Ni7.0～10.0％、Si≤1.0％，Mn≤2.0％、C不高于0.008％、N不高于0.005％、P不高于0.035％、S不高于0.03％，余量为Fe。
进一步，所述Ni的含量为8.5～9.5％。
进一步，所述Cr的含量为18.5～19.5％。
进一步，所述Si的含量为0.7～0.9％。
进一步，所述Mn的含量为1.8～2.0％。
本发明设计了实现Gd不锈钢制备的技术方案，基于Gd与Fe固溶特性采用冶金及压力加工方法制备出含Gd不锈钢，使其具有优良的加工性能，具有较好的经济性。本发明中钆不锈钢屏蔽材料的制备方法包括：
(1)制备混合料；
(2)混合料在熔炼炉内熔炼制备出铸锭；
(3)采用压力加工方法制备出含不锈钢试样。
进一步，所述步骤(2)中的熔炼温度为1500℃～1700℃。
进一步，所述步骤(3)中压力加工方法中的热轧温度为1000±50℃。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的中子和伽玛综合屏蔽性能强、力学性能好，便于加工，具有结构功能一体化特点；
2、本发明主要用于中子和伽玛的综合屏蔽防护，可以直接作为结构材料用于产品设计和制造；
3、本发明的钆不锈钢屏蔽材料可广泛用于乏燃料贮存格架、燃料运输容器、放射源贮存容器和核燃料循环设施等复杂服役环境下。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
一种具有中子和伽玛综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料，包括不锈钢基材，以及添加到不锈钢基材中的钆，所述钆在不锈钢屏蔽材料中的重量百分含量为0.15％～0.45％。本实施例中该不锈钢屏蔽材料为奥氏体不锈钢。
本实施例中该钆不锈钢屏蔽材料，按重量百分数计，包括：
Gd0.15％～0.45％、Cr17.5～18.0％、Ni7.5～8.0％、Si0.7～0.9％，Mn1.8～2.0％、C不高于0.008％、N不高于0.005％、P不高于0.035％、S不高于0.03％，余量为Fe。
上述钆不锈钢屏蔽材料的制备方法，包括：
(1)制备混合料；
(2)混合料在熔炼炉内熔炼制备出铸锭，所述熔炼温度为1500℃～1700℃；
(3)采用压力加工方法制备出含不锈钢试样，压力加工方法中的热轧温度为1000±50℃。
本发明以奥氏体不锈钢为基础，通过添加钆以获得对中子和伽玛良好的综合屏蔽效果。通过采用冶金熔炼方法制备，可直接用于700℃高温环境，可直接应用于水环境、耐酸碱腐蚀，效果十分显著。
在实际操作过程中，由于各个组分的添加量不可能完全到某个点值，因此，在实施例部分为一个范围较小的范围值。
实施例2-实施例5以及对比例1：
实施例2-实施例5以及对比例1基于实施例1，与实施例1的区别在于，实施例2-实施例5以及对比例1中Gd、Cr、Ni、Si和Mn的配比不同，如表1所示。
表1
Figure BDA0002293508590000031
Figure BDA0002293508590000041
采用上述配比制备钆不锈钢屏蔽材料的制备方法为：
(1)用工业纯Fe和纯度大于99.9％的Si、Mn、Ni、Cr、Gd等颗粒料按表1配方配料60g混合料，混合料在熔炼炉内熔炼制备出约60g铸锭，熔炼温度约1500℃～1650℃。
(2)采用压力加工方法制备出含不锈钢试样，热轧温度为1000±50℃。微观组织均匀、化学成分满足技术要求。
本实施例中还提供了一组对比例，该对比实施例为B含量2wt％的硼不锈钢。该B含量2wt％的硼不锈钢的具体组成如表2所示：
表2
Figure BDA0002293508590000042
通过实施例1-实施例5所述方式制备获得的钆不锈钢成品室温抗拉强度为700～730MPa、屈服强度为500～560MPa、延伸率为14～50％，其中随着Gd含量增加不锈钢塑性变差(实施例1-实施例5的钆不锈钢塑性呈逐渐降低的趋势)，其中，4.0wt.％的Gd不锈钢(实施例4)的延伸率降至14％，而5.0wt.％的Gd不锈钢(对比例1)在热轧加工中严重开裂，与表2对比例2中含硼不锈钢加工开裂程度相当。因此，Gd的含量不宜超过4.0wt.％，其中Gd含量2.0wt.％的钆不锈钢具有良好的前景。经过屏蔽计算，含2.0wt％Gd的钆不锈钢热中子吸收能力约为同等B含量的硼不锈钢的4～5倍。此外，4.0wt.％含量钆不锈钢未改变不锈钢的高温性能和耐蚀性能.综合经济成本、塑性和强度等因素，含2.0wt％Gd的钆不锈钢最优方案。
通过上述可知：本发明的钆不锈钢屏蔽材料的中子和伽玛综合屏蔽性能强、力学性能好，便于加工，具有结构功能一体化特点，主要用于中子和伽玛的综合屏蔽防护，可以直接作为结构材料用于产品设计和制造。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有中子和伽玛综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料，其特征在于，包括不锈钢基材，以及添加到不锈钢基材中的钆，所述钆在不锈钢屏蔽材料中的重量百分含量为0.1％～4.0％。
2.根据权利要求1所述的一种具有中子和伽玛综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料，其特征在于，所述不锈钢屏蔽材料为奥氏体不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种具有中子和伽玛综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料，其特征在于，按重量百分数计，包括：
Gd0.1～4.0％、Cr17.0～20.0％、Ni7.0～10.0％、Si≤1.0％，Mn≤2.0％、C不高于0.008％、N不高于0.005％、P不高于0.035％、S不高于0.03％，余量为Fe。
4.根据权利要求3所述的一种具有中子和伽玛综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料，其特征在于，所述Ni的含量为8.5～9.5％。
5.根据权利要求3所述的一种具有中子和伽玛综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料，其特征在于，所述Cr的含量为18.5～19.5％。
6.根据权利要求3所述的一种具有中子和伽玛综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料，其特征在于，所述Si的含量为0.7～0.9％。
7.根据权利要求3所述的一种具有中子和伽玛综合屏蔽功能的钆不锈钢屏蔽材料，其特征在于，所述Mn的含量为1.8～2.0％。
8.根据权利要求1～7任一项所述的钆不锈钢屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括：
(1)制备混合料；
(2)混合料在熔炼炉内熔炼制备出铸锭；
(3)采用压力加工方法制备出含不锈钢试样。
9.根据权利要求8所述的钆不锈钢屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的熔炼温度为1500℃～1700℃。
10.根据权利要求8所述的钆不锈钢屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中压力加工方法中的热轧温度为1000±50℃。
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