CN115011839A - 一种核屏蔽用钛钆合金材料、其制备方法及其应用 - Google Patents

一种核屏蔽用钛钆合金材料、其制备方法及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN115011839A
CN115011839A CN202210684117.0A CN202210684117A CN115011839A CN 115011839 A CN115011839 A CN 115011839A CN 202210684117 A CN202210684117 A CN 202210684117A CN 115011839 A CN115011839 A CN 115011839A
Authority
CN
China
Prior art keywords
titanium
percent
equal
less
gadolinium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210684117.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115011839B (zh
Inventor
肖学山
李梦丽
张�成
潘杰
李聪
梅其良
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
University of Shanghai for Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Shanghai for Science and Technology filed Critical University of Shanghai for Science and Technology
Priority to CN202210684117.0A priority Critical patent/CN115011839B/zh
Publication of CN115011839A publication Critical patent/CN115011839A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115011839B publication Critical patent/CN115011839B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26—Methods of annealing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0221—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the working steps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0221—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the working steps
    • C21D8/0226—Hot rolling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0221—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the working steps
    • C21D8/0236—Cold rolling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0247—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/06—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0075—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rods of limited length
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0081—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for slabs; for billets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C22C30/04—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent containing tin or lead
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/08—Metals; Alloys; Cermets, i.e. sintered mixtures of ceramics and metals
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

本发明公开了一种核屏蔽用轻质高效钛钆合金材料，其成分按照如下质量百分比组成：Gd：1.5‑15.0，Al≤15.0，Fe、Cr、Mo、Sn、Zr中任意一种元素或任意几种元素，其含量为Fe≤20.0、Cr≤20.0、Mo≤20、Sn≤10.0、Zr≤10.0，其余成分为钛和不可避免的杂质。本发明还涉及一种核屏蔽用轻质高效钛钆合金材料的制备方法，经配料和真空自耗电弧或真空感应熔炼等特种工艺得到合金熔体；经浇铸成型，再经热锻、热轧、冷轧和退火等处理工艺，最终制得一种核屏蔽用轻质高效钛钆合金棒材或板材。本发明材料密度低，强度高，耐高温，耐腐蚀和加工成型性优良，本发明材料作为轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料使用，用作反应堆乏燃料的贮运、轻量化移动堆热中子屏蔽制件，材料易加工，适合推广应用。

Description

一种核屏蔽用钛钆合金材料、其制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种核屏蔽用轻质高效钛钆合金材料、其制备方法及其应用，特别是涉及一种热中子屏蔽的轻质高效钛钆合金材料、其制备方法，应用于核功能特种合金材料技术领域。
背景技术
核能是一种能量密度高、清洁、低碳的能源，是保障国家能源安全、促进节能减排的重要手段，大力发展核能已成为我国能源中长期发展规划的战略重点。核能在航空航天和供热取暖等领域有着广泛的应用。在空间电源的研究中，核能因其不依靠氧气环境、不依赖太阳光照、能量密度高、可实现高温和超高温、使用寿期长等优点，得到了广泛的关注。同时，由于空间堆电源堆芯放射出的核辐射剂量较大，会产生大量的α、β、γ、X射线和中子，并释放能量。这不仅会对靠近辐射源的人员健康带来危害，也会对附近的设备和材料造成损伤。其中α、β射线穿透能力弱，易被吸收，从辐射防护的角度可以忽略其影响。而中子和γ射线能量大，穿透力强，较难吸收。因此，选择材料时应首要考虑的基本性能是对中子和γ射线的屏蔽性能。核辐射防护效果的提升依赖于屏蔽材料性能的提升和结构的优化设计。当前，随着核能源及各种核反应堆的发展，对核屏蔽材料的要求越来越高，主要表现在核屏蔽材料的屏蔽效果与其他性能如力学性能、耐热性、抗辐照性能等之间的矛盾关系难以解决。比如在空间堆中为减轻重量，研究轻质的中子屏蔽材料是很有必要的。此外，小型车载堆中，辐射屏蔽体是重要组成部分，反应堆辐射屏蔽空间有限、环境温度高、辐照环境恶劣。所以，屏蔽材料除了需要有良好的中子屏蔽能力外，还应具备相应耐辐照、耐高温、质量轻等特性。因此，结构和功能一体化是当前核辐射屏蔽材料研发的重要发展方向。
在轻质中子屏蔽材料的研究方面，含硼聚合物基复合材料、B4C/Al基复合材料等已经很成熟，但这些材料耐高温性能差、力学性能较低，限制其在高温环境下的应用，同时也不兼具结构件功能。稀土元素因其特殊的电子结构而具有光、电、磁等特性，并能吸收多种有害射线，在热中子吸收方面效果，稀土元素表现出了优异的性能。在目前所有元素中，稀土Gd元素具有最大的热中子吸收截面，满足中子屏蔽性能的要求。现有的含Gd不锈钢和含Gd镍基合金等，虽然具有较好的力学性能，但因其密度大，质量重，不符合轻质材料的要求。空间堆和车载堆等移动堆由于对空间和质量的限制，迫切需要开发密度低、屏蔽能力强、耐高温的轻质高效的新型中子屏蔽材料。
发明内容
为了解决现有材料和技术存在的问题，本发明的目的在于克服已有材料和技术存在的不足，提供一种核屏蔽用钛钆合金材料、其制备方法及其应用，制备一种热中子屏蔽的轻质高效钛钆基合金材料。本发明的热中子屏蔽的钛钆合金材料的密度低、强度高、塑韧性好、焊接性好、抗腐蚀、耐辐照，生产工艺简单，易加工。本发明可以用作空间堆和车载堆等移动堆中的热中子屏蔽体。
为达到上述发明目的，本发明创造采用如下发明构思：
热中子屏蔽材料需要由较大热中子吸收截面的元素组成。天然钆的等效热中子吸收截面为49163b，是所有元素中热中子吸收截面最大的。因此，含钆材料具有较好的应用前景。钛合金具有密度低、强度高、耐高温、耐腐蚀性能好和焊接性能优良等特点。本发明通过大量实验发现，在钛钆合金中加入合适比例的铁、铝、铬、钼、锡、锆等元素，通过真空自耗电弧或真空感应熔炼冶炼工艺，可制备得到密度低、屏蔽能力强、力学性能优异的钛钆合金。本发明中的轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料具有密度低、强度高、耐高温、耐腐蚀性能好和焊接性能优良等优点。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种核屏蔽用钛钆合金材料，其主要成分按照如下质量百分比(％)组成：Gd：1.5-15.0％，Al≤15.0％，其余成分为钛和不可避免的杂质。
优选地，本发明所述核屏蔽用钛钆合金材料成分还含有Fe、Cr、Mo、Sn、Zr中任意一种元素或任意几种元素，以成分的质量百分比(％)计，含量为Fe≤20.0％，Cr≤20.0％，Mo≤20％，Sn≤10.0％，Zr≤10.0％。
进一步优选地，本发明所述核屏蔽用钛钆合金材料以成分的质量百分比(％)计，其成分按照如下质量百分比组成：Gd：2.0-12.0％，Al：2.0-8.0％，Fe≤15.0％，或Cr≤10.0％，或Mo≤15％，或Sn≤5.0％，或Zr≤5.0％，其余成分为钛和不可避免的杂质。
优选地，本发明所述核屏蔽用钛钆合金材料，其钛钆合金组织中主要由基体Ti和第二相析出物组成，钛钆合金中第二相在基体中沿晶界分布。
优选地，本发明所述核屏蔽用钛钆合金材料，其密度不高于6.0g/cm3。
优选地，本发明所述核屏蔽用钛钆合金材料，其室温拉伸断裂强度不低于800MPa，其伸长率不低于15％。
进一步优选地，本发明所述核屏蔽用钛钆合金材料，其室温拉伸断裂强度为800-950MPa，其断裂延伸率不低于15％。
Gd具有中子吸收截面大的特性，并能提高合金的强度和耐腐蚀性能，当Gd的用量高于1.5％，其屏蔽热中子性能优于目前硼钢中最好的304B7钢；当Gd的用量高于4.0％，其屏蔽热中子性能优于目前使用的30％B4C/Al基复合材料；当Gd的用量高于10.0％，其屏蔽热中子性能优于目前使用的B4C陶瓷板；本发明优选Gd的用量为2.0-12.0％，而Gd的用量高于12.0％，则合金成本显著增加。
Al元素是α相稳定元素，能更多地固溶于α钛，起调节钛钆合金两相比例的作用，本发明优选Al的用量为2.0-8.0％。
Fe元素是β相稳定元素，能更多地固溶于β钛，起调节钛钆合金两相比例的作用，本发明优选Fe的用量≤15.0％。
Cr元素是β相稳定元素，能更多地固溶于β钛，起调节钛钆合金两相比例的作用，本发明优选Cr的用量≤10.0％。
Mo元素是β相稳定元素，能更多地固溶于β钛，起调节钛钆合金两相比例的作用，本发明优选Mo的用量≤15.0％。
Sn元素是中性元素，在α钛和β钛中均有加大固溶度，起固溶强化作用，本发明优选Sn的用量≤5.0％。
Zr元素是中性元素，在α钛和β钛中均有加大固溶度，起固溶强化作用，本发明优选Zr的用量≤5.0％。
一种本发明所述的核屏蔽用钛钆合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.在原料配料时，主要原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：Gd：1.5-15.0，Al≤15.0，其余成分为钛和不可避免的杂质；将配料后称量的全部原料混合，采用真空自耗电弧或真空感应熔炼工艺，进行熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻、热轧、冷轧和退火热处理工艺，从而制得核屏蔽用钛钆合金棒材或板材。
作为本发明的进一步的制备方法，其特征在于：在上述步骤a中，主要原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：Gd：1.5-15.0，Al≤15.0，其成分还含有Fe、Cr、Mo、Sn、Zr中任意一种元素或任意几种元素，以成分的质量百分比(％)计，含量为Fe≤20.0、Al≤12.0、Cr≤20.0、Mo≤20、Sn≤10.0、Zr≤10.0，其余成分为钛和不可避免的杂质。
进一步优选地，在所述步骤a中，原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：Gd：2.0-12.0％，Al：2.0-8.0％，Fe≤15.0％，或Cr≤10.0％，或Mo≤15％，或Sn≤5.0％，或Zr≤5.0％，其余成分为钛和不可避免的杂质。
一种本发明所述的核屏蔽用钛钆合金材料的应用，作为轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料使用，用作制备空间堆和车载堆等移动堆中的屏蔽体的材料。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.与目前含硼聚合物基复合材料、B4C/Al基复合材料等轻质中子屏蔽材料相比，本发明核屏蔽用钛钆合金材料在高温500-800℃环境下可以使用；与目前含钆不锈钢和镍基合金等中子屏蔽材料相比，本发明的钛钆合金材料的密度均低于6.0g/cm3；经浇铸成型，再经热轧、冷轧和退火处理等工艺，最终制得一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆基合金材料板材或棒材；本发明中的轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料具有密度低、强度高、耐腐蚀性能好和焊接性能优良等特点；
2.本发明轻质高效热中子屏蔽钛钆合金材料在其成分范围内经热锻、热轧、冷轧和退火处理等工艺后，其室温拉伸断裂强度在600-1000MPa范围，断后伸长率在15-30％，耐腐蚀性及热加工性能优良；因钆元素具有较大的热中子俘获截面，通过实验表明，本发明与传统的含硼复合材料相比，在同样材料厚度下，本发明低密度热中子屏蔽钛钆合金屏蔽性能更好；在相同屏蔽效果下，本发明低密度热中子屏蔽钛钆合金可以做到更薄更轻，是未来替换传统的硼钢或B4C/Al基复合材料等系列的最佳候选材料，是一种高效率热中子屏蔽材料；
3.本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料密度低、强度高、耐高温、塑韧性好、耐腐蚀、耐辐照，生产工艺简单；本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料可以用作空间堆和车载堆等移动堆中的屏蔽体。
附图说明
图1为本发明实施例一核屏蔽用钛钆合金材料金相组织照片。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料，其成分按照如下质量百分比组成：Gd：10.0％，Al：3.0％，其余成分为钛和不可避免的杂质。
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料的制备方法，步骤如下：
a.采用真空自耗电弧熔炼或真空感应熔炼工艺，在原料配料时，其原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：
Gd 10.0％
Al 3.0％
Ti 余量
将配料后称量的原料混合，然后进行真空感应熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻、热轧和退火热处理工艺，最终制得轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材或棒材。
实验测试分析
参见图1，本实施例钛钆合金组织中主要由基体Ti和第二相析出物组成，钛钆合金中第二相在基体中沿晶界分布。本实施例采用真空感应熔炼工艺，经综合配料熔制过程后，经浇铸成型，再经热锻、热轧、冷轧和退火处理等工艺，最终制得一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材。经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的钛钆合金材料板材的室温拉伸断裂强度大于850MPa，断裂延伸率大于15％。本实施例制备的钛钆基合金材料的力学和耐蚀性能优于传统的硼钢或B4C/Al基复合材料，有望于用作太空堆和车载堆中的屏蔽单元，可以大幅度降低材料厚度和减轻重量。本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料密度低、强度高、塑韧性好、耐腐蚀、耐辐照，生产工艺简单；本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料可以用作空间堆和车载堆等移动堆中的屏蔽体。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料，其成分按照如下质量百分比组成：Gd：10.0％，Al：5.0％、Fe：7.5％，其余成分为钛和不可避免的杂质。
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，其原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：
Figure BDA0003697382890000051
将配料后称量的原料全部混合，然后进行真空感应熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻、热轧和退火热处理工艺，最终制得轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材或棒材。
实验测试分析
本实施例钛钆铁合金组织中主要由基体Ti和第二相析出物组成，钛钆合金中第二相在基体中沿晶界分布。本实施例采用真空感应熔炼工艺，经综合配料熔制过程后，经浇铸成型，再经热锻、热轧、冷轧和退火处理等工艺，最终制得一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材。经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的钛钆合金材料板材的室温拉伸断裂强度大于900MPa，断裂延伸率大于15％。本实施例制备的钛钆基合金材料的力学和耐蚀性能优于传统的硼钢或B4C/Al基复合材料，有望于用作太空堆和车载堆中的屏蔽单元，可以大幅度降低材料厚度和减轻重量。本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料密度低、强度高、塑韧性好、耐腐蚀、耐辐照，生产工艺简单；本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料可以用作空间堆和车载堆等移动堆中的屏蔽体。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料，其成分按照如下质量百分比组成：Gd：5.0％，Al：5.0％、Cr：5.0％，其余成分为钛和不可避免的杂质。
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用真空感应熔炼或真空自耗电弧熔炼工艺，在原料配料时，其原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：
Figure BDA0003697382890000061
将配料后称量的原料全部混合，然后进行真空感应熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热轧和退火热处理工艺，最终制得轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材或棒材。
实验测试分析
本实施例钛钆合金组织中主要由基体Ti和第二相析出物组成，钛钆合金中第二相在基体中沿晶界分布。本实施例采用真空感应熔炼工艺，经综合配料熔制过程后，经浇铸成型，再经热锻、热轧、冷轧和退火处理等工艺，最终制得一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材。经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的钛钆合金材料板材的室温拉伸断裂强度大于800MPa，断裂延伸率大于18％。本实施例制备的钛钆基合金材料的力学和耐蚀性能优于传统的硼钢或B4C/Al基复合材料，有望于用作太空堆和车载堆中的屏蔽单元，可以大幅度降低材料厚度和减轻重量。本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料密度低、强度高、塑韧性好、耐腐蚀、耐辐照，生产工艺简单；本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料可以用作空间堆和车载堆等移动堆中的屏蔽体。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料，其成分按照如下质量百分比组成：Gd：8.0％，Al：6.0％、Sn：2.0％，其余成分为钛和不可避免的杂质。
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用真空感应熔炼或真空电弧熔炼工艺，在原料配料时，其原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：
Figure BDA0003697382890000071
将配料后称量的原料全部混合，然后进行真空感应熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热轧和退火热处理工艺，最终制得轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材或棒材。
实验测试分析
本实施例钛钆合金组织中主要由基体Ti和第二相析出物组成，钛钆合金中第二相在基体中沿晶界分布。本实施例采用真空感应熔炼工艺，经综合配料熔制过程后，经浇铸成型，再经热锻、热轧、冷轧和退火处理等工艺，最终制得一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材。经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的钛钆合金材料板材的室温拉伸断裂强度大于800MPa，断裂延伸率大于15％。本实施例制备的钛钆基合金材料的力学和耐蚀性能优于传统的硼钢或B4C/Al基复合材料，有望于用作太空堆和车载堆中的屏蔽单元，可以大幅度降低材料厚度和减轻重量。本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料密度低、强度高、塑韧性好、耐腐蚀、耐辐照，生产工艺简单；本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料可以用作空间堆和车载堆等移动堆中的屏蔽体。
实施例五：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料，其成分按照如下质量百分比组成：Gd：1.5％，Al：8.0％，Sn：3.0％，Zr：4.0％，其余成分为钛和不可避免的杂质。
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用真空感应熔炼或真空电弧熔炼工艺，在原料配料时，其原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：
Figure BDA0003697382890000081
将配料后称量的原料全部混合，然后进行真空感应熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热轧和退火热处理工艺，最终制得轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材或棒材。
实验测试分析
本实施例钛钆合金组织中主要由基体Ti和第二相析出物组成，钛钆合金中第二相在基体中沿晶界分布。本实施例采用真空感应熔炼工艺，经综合配料熔制过程后，经浇铸成型，再经热锻、热轧、冷轧和退火处理等工艺，最终制得一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材。经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的钛钆合金材料板材的室温拉伸断裂强度大于800MPa，断裂延伸率大于15％。本实施例制备的钛钆基合金材料的力学和耐蚀性能优于传统的硼钢或B4C/Al基复合材料，有望于用作太空堆和车载堆中的屏蔽单元，可以大幅度降低材料厚度和减轻重量。本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料密度低、强度高、塑韧性好、耐腐蚀、耐辐照，生产工艺简单；本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料可以用作空间堆和车载堆等移动堆中的屏蔽体。
实施例六：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料，其成分按照如下质量百分比组成：Gd：4.0％，Mo：10.0％，Al：6.0％其余成分为钛和不可避免的杂质。
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，其原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：
Figure BDA0003697382890000082
将配料后称量的原料全部混合，然后进行真空感应熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热轧和退火热处理工艺，最终制得轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材或棒材。
实验测试分析
本实施例钛钆合金组织中主要由基体Ti和第二相析出物组成，钛钆合金中第二相在基体中沿晶界分布。本实施例采用真空感应熔炼工艺，经综合配料熔制过程后，经浇铸成型，再经热锻、热轧、冷轧和退火处理等工艺，最终制得一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材。经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的钛钆合金材料板材的室温拉伸断裂强度大于850MPa，断裂延伸率大于15％。本实施例制备的钛钆基合金材料的力学和耐蚀性能优于传统的硼钢或B4C/Al基复合材料，有望于用作太空堆和车载堆中的屏蔽单元，可以大幅度降低材料厚度和减轻重量。本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料密度低、强度高、塑韧性好、耐腐蚀、耐辐照，生产工艺简单；本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料可以用作空间堆和车载堆等移动堆中的屏蔽体。
实施例七：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料，其成分按照如下质量百分比组成：Gd：12.0％，Al：3.0％，Zr：2.0％，其余成分为钛和不可避免的杂质。
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，其原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：
Figure BDA0003697382890000091
将配料后称量的原料全部混合，然后进行真空感应熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热轧和退火热处理工艺，最终制得轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材或棒材。
实验测试分析
本实施例钛钆合金组织中主要由基体Ti和第二相析出物组成，钛钆合金中第二相在基体中沿晶界分布。本实施例采用真空感应熔炼工艺，经综合配料熔制过程后，经浇铸成型，再经热轧、冷轧和退火处理等工艺，最终制得一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材。经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的钛钆合金材料板材的室温拉伸断裂强度大于900MPa，断裂延伸率大于15％。本实施例制备的钛钆基合金材料的力学和耐蚀性能优于传统的硼钢或B4C/Al基复合材料，有望于用作太空堆和车载堆中的屏蔽单元，可以大幅度降低材料厚度和减轻重量。本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料密度低、强度高、塑韧性好、耐腐蚀、耐辐照，生产工艺简单；本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料可以用作空间堆和车载堆等移动堆中的屏蔽体。
实施例八：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料，其成分按照如下质量百分比组成：Gd：15.0％，Fe：7.5％，Al：6.0％，其余成分为钛和不可避免的杂质。
在本实施例中，一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，其原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：
Figure BDA0003697382890000101
将配料后称量的原料全部混合，然后进行真空感应熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热轧和退火热处理工艺，最终制得轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材或棒材。
实验测试分析
本实施例钛钆合金组织中主要由基体Ti和第二相析出物组成，钛钆合金中第二相在基体中沿晶界分布。本实施例采用真空感应熔炼工艺，经综合配料熔制过程后，经浇铸成型，再经热轧、冷轧和退火处理等工艺，最终制得一种轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金板材。经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的钛钆合金材料板材的室温拉伸断裂强度大于950MPa，断裂延伸率大于15％。本实施例制备的钛钆基合金材料的力学和耐蚀性能优于传统的硼钢或B4C/Al基复合材料，有望于用作太空堆和车载堆中的屏蔽单元，可以大幅度降低材料厚度和减轻重量。本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料密度低、强度高、塑韧性好、耐腐蚀、耐辐照，生产工艺简单；本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料可以用作空间堆和车载堆等移动堆中的屏蔽体。
综上所述，上述实施例轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料，其主要成分按照如下质量百分比(％)组成：Gd：1.5-15.0，Al≤15.0，其余部分为钛和不可避免的杂质。作为本发明的进一步技术方案，所述核屏蔽用轻质高效的钛钆合金材料，Gd：1.5-15.0，Al≤15.0，其成分还含有Fe、Cr、Mo、Sn、Zr中任意一种元素或任意几种元素，以成分的质量百分比(％)计，含量为Fe≤20.0、Al≤12.0、Cr≤20.0、Mo≤20、Sn≤10.0、Zr≤10.0，其余成分为钛和不可避免的杂质。经配料、真空电弧或真空感应熔炼工艺得到合金熔体；经浇铸成型，再经热锻、热轧、冷轧和退火处理等工艺，最终制得一种低密度热中子屏蔽的钛钆合金板材或棒材。本发明上述实施例轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料具有强度高、耐腐蚀和焊接性能优良等优点。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种核屏蔽用钛钆合金材料，其特征在于，其主要成分按照如下质量百分比(％)组成：Gd：1.5-15.0％，Al≤15.0％，其余成分为钛和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述核屏蔽用钛钆合金材料，其特征在于：其成分还含有Fe、Cr、Mo、Sn、Zr中任意一种元素或任意几种元素，以成分的质量百分比(％)计，含量为Fe≤20.0％，Cr≤20.0％，Mo≤20％，Sn≤10.0％，Zr≤10.0％。
3.根据权利要求2所述核屏蔽用钛钆合金材料，其特征在于：以成分的质量百分比(％)计，其成分按照如下质量百分比组成：Gd：2.0-12.0％，Al：2.0-8.0％，Fe≤15.0％，或Cr≤10.0％，或Mo≤15％，或Sn≤5.0％，或Zr≤5.0％，其余成分为钛和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述核屏蔽用钛钆合金材料，其特征在于：钛钆合金组织中主要由基体Ti和第二相析出物组成，钛钆合金中第二相在基体中沿晶界分布。
5.根据权利要求1所述核屏蔽用钛钆合金材料，其特征在于：其密度不高于6.0g/cm3。
6.根据权利要求1所述核屏蔽用钛钆合金材料，其特征在于：其室温拉伸断裂强度不低于800MPa，其伸长率不低于15％。
7.根据权利要求6所述核屏蔽用钛钆合金材料，其特征在于：其室温拉伸断裂强度为800-950MPa，其断裂延伸率不低于15％。
8.一种权利要求1所述的核屏蔽用钛钆合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.在原料配料时，主要原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：Gd：1.5-15.0，Al≤15.0，其余成分为钛和不可避免的杂质；将配料后称量的全部原料混合，采用真空自耗电弧或真空感应熔炼工艺，进行熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻、热轧、冷轧和退火热处理工艺，从而制得核屏蔽用钛钆合金棒材或板材。
9.根据权利要求8所述核屏蔽用钛钆合金材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：Gd：1.5-15.0，Al≤15.0，Fe≤20.0或Cr≤20.0或Mo≤20或Sn≤10.0或Zr≤10.0，其余成分为钛和不可避免的杂质。
10.一种权利要求1所述的核屏蔽用钛钆合金材料的应用，其特征在于：作为轻质高效热中子屏蔽的钛钆合金材料，用作制备空间堆和车载堆等轻量化移动堆中的屏蔽体的材料。
CN202210684117.0A 2022-06-16 2022-06-16 一种核屏蔽用钛钆合金材料、其制备方法及其应用 Active CN115011839B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210684117.0A CN115011839B (zh) 2022-06-16 2022-06-16 一种核屏蔽用钛钆合金材料、其制备方法及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210684117.0A CN115011839B (zh) 2022-06-16 2022-06-16 一种核屏蔽用钛钆合金材料、其制备方法及其应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115011839A true CN115011839A (zh) 2022-09-06
CN115011839B CN115011839B (zh) 2024-06-18

Family

ID=83074963

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210684117.0A Active CN115011839B (zh) 2022-06-16 2022-06-16 一种核屏蔽用钛钆合金材料、其制备方法及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115011839B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115572859A (zh) * 2022-10-18 2023-01-06 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种钛基中子吸收材料及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6314833A (ja) * 1986-07-03 1988-01-22 Kobe Steel Ltd 中性子吸収能の優れたＴｉ基合金
JPH10319176A (ja) * 1997-05-21 1998-12-04 Nuclear Fuel Ind Ltd 中性子吸収合金
CN106521239A (zh) * 2016-11-21 2017-03-22 西北有色金属研究院 一种核反应堆用高冲击韧性低活化钛合金
CN114507795A (zh) * 2022-01-30 2022-05-17 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6314833A (ja) * 1986-07-03 1988-01-22 Kobe Steel Ltd 中性子吸収能の優れたＴｉ基合金
JPH10319176A (ja) * 1997-05-21 1998-12-04 Nuclear Fuel Ind Ltd 中性子吸収合金
CN106521239A (zh) * 2016-11-21 2017-03-22 西北有色金属研究院 一种核反应堆用高冲击韧性低活化钛合金
CN114507795A (zh) * 2022-01-30 2022-05-17 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D.B. SNOW: "《Investigation of Rapidly-Solidified Dispersion Strengthened Titanium Alloys》", vol. 87, UNITED TECHNOLOGIES RESEARCH CENTERL, pages: 56 - 57 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115572859A (zh) * 2022-10-18 2023-01-06 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种钛基中子吸收材料及其制备方法
CN115572859B (zh) * 2022-10-18 2023-11-03 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种钛基中子吸收材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115011839B (zh) 2024-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103045916B (zh) 一种复合屏蔽材料及其制备方法
CN110396624B (zh) 核屏蔽用富硼镍钨基合金材料及其制备方法
CN115652164B (zh) 一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料、其制备方法及其应用
CN102605213B (zh) 核电站燃料包壳用含锗的锆锡铌合金
CN110373573B (zh) 核屏蔽用富钆镍钨基合金材料及其制备方法
CN111910113A (zh) 含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料及其制备方法
CN110273085B (zh) 反应堆乏燃料贮运用富钆镍基合金材料及其制备方法
WO2024055747A1 (zh) 一种复合屏蔽钇基合金材料及其制备方法与应用
CN104946911A (zh) 一种乏燃料贮存格架用高体积分数B4C/Al复合材料及其制备方法
CN109852850A (zh) 一种结构功能一体化中子吸收材料的制备方法
CN115011839A (zh) 一种核屏蔽用钛钆合金材料、其制备方法及其应用
CN102268582A (zh) 具有射线及中子综合屏蔽效果的铝基材料
CN110643859A (zh) 一种含钆钨元素的铝基复合材料及其应用
WO2024045939A1 (zh) 一种核屏蔽用富镝镍钨合金材料及其制备方法
CN114457289A (zh) 一种核能用含锡耐热铁素体不锈钢合金材料及其制备方法
Gan et al. Research progress of metal-based shielding materials for neutron and gamma rays
CN114507795B (zh) 一种耐硝酸腐蚀钛基中子吸收材料及其制备方法
CN111151918B (zh) 快中子反应堆设备制造用e316h型不锈钢埋弧焊焊接材料及其制备方法
CN115449668A (zh) 一种用于核屏蔽材料的富镝镍基合金的制备方法
CN116288047A (zh) 一种具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料及其制备方法
CN118186256A (zh) 一种核屏蔽用铝钆合金材料、其制备方法及其应用
CN115161530B (zh) 一种合金钢及其制备方法与应用
CN115652163B (zh) 一种耐高温中子复合屏蔽钇基合金材料、其制备方法及其应用
CN115466897A (zh) 一种核屏蔽用奥氏体中熵合金材料及其制备方法
CN115572859B (zh) 一种钛基中子吸收材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Xiao Xueshan

Inventor after: Li Mengli

Inventor after: Zhang Cheng

Inventor after: Pan Jie

Inventor before: Xiao Xueshan

Inventor before: Li Mengli

Inventor before: Zhang Cheng

Inventor before: Pan Jie

Inventor before: Li Cong

Inventor before: Mei Qiliang

CB03 Change of inventor or designer information
GR01 Patent grant