CN117344195A - 一种钨硼不锈钢复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钨硼不锈钢复合材料及其制备方法，涉及屏蔽材料技术领域，包括硼钨化合物，所述硼钨化合物颗粒弥散在不锈钢基体内。该钨硼不锈钢复合材料弥散相硼与钨的化合物密度高，钨是一种化学性质稳定的重金属元素，具有较高的伽玛屏蔽效率；硼元素对中能与低能中子具有较高的中子吸收截面，是一种高效中子屏蔽组分，各种组分的硼化钨材料与不锈钢具有较好的相容性，在不锈钢的烧结及其他热加工温度下，不与不锈钢基体发生反应，把硼与钨的化合物弥散在不锈钢基体中，可制备出中子屏蔽性能、伽玛屏蔽性能均优于传统硼不锈钢的复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及屏蔽材料技术领域，具体涉及一种钨硼不锈钢复合材料及其制备方法。
背景技术
硼钢中的硼具有较高的中子吸收截面，不锈钢具有较好的力学性能与伽玛屏蔽性，因此硼钢是一种性能优异的结构功能一体化材料，在屏蔽工程中具有重要的应用价值，硼不锈钢作为结构材料使用，代替部分屏蔽材料，可减少屏蔽材料的重量与体积。但在室温下，硼在不锈钢中的固溶度有限，在热处理冷却过程中，硼会在晶界片析出形成硼化铁、硼化铬连续脆性相，硼化铁，硼化铬中的硼密度较低，如果脆性相过多，在材料中形成脆性相网络结构，会使整个材料变脆。
目前常用的硼铸钢的硼含量一般不超过0.8％，用粉末冶金方法制得的A级硼铸钢含量最高不超过3％，因此硼脆问题限制了硼不锈钢中的硼含量的增加，影响了硼钢对中子的吸收能力。因此提高硼不锈钢的中子吸收能力是屏蔽材料工作者追求的目标之一。
因此，由于硼脆问题，目前的硼钢复合材料还存在中子屏蔽性能、伽玛屏蔽性能较低的问题。
发明内容
基于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种钨硼不锈钢复合材料及其制备方法，该钨硼不锈钢复合材料的硼化钨颗粒弥散在不锈钢基体中，把屏蔽材料的碳化硼不锈钢复合材料中的硼含量提高到3％以上，抗拉强度高于300Mpa，同时材料的密度增加，屏蔽材料的伽玛屏蔽性能提高，与现有硼钢复合材料相比，硼化钨不锈钢复合材料的中子屏蔽性能、伽玛屏蔽性能均得到提升。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本申请提供一种钨硼不锈钢复合材料，包括硼钨化合物，所述硼钨化合物颗粒弥散在不锈钢基体内。
核反应堆是中子与伽玛射线的复合屏蔽场，伽玛射线屏蔽一般需要使用高原子序数、高密度材料来进行屏蔽，如钨、铅等，高能中子一般先用具有高散射截面的材料进行散射慢化，再利用含氢的材料进行慢化，最后用中子吸收截面大的材料进行吸收。
本发明中的钨硼不锈钢复合材料弥散相硼与钨的化合物密度高，钨是一种化学性质稳定的重金属元素，具有较高的伽玛屏蔽效率；硼元素对中能与低能中子具有较高的中子吸收截面，是一种高效中子屏蔽组分，各种组分的硼化钨材料与不锈钢具有较好的相容性，在不锈钢的烧结及其他热加工温度下，不与不锈钢基体发生反应，把硼与钨的化合物弥散在不锈钢基体中，可制备出中子屏蔽性能、伽玛屏蔽性能均优于传统硼不锈钢的复合材料。
不锈钢对高能中子散射截面较大，具有较高的高能中子慢化效率，同时具有较好的力学性能与耐腐蚀性能，硼钨不锈钢复合材料集成钨的高密度与高效伽玛屏蔽性能，硼的中子屏蔽性能，不锈钢的高能中子慢化性能，耐腐蚀性能与良好力学性能的特点，是一种性能优异的综合屏蔽材料，可减轻屏蔽体的重量与体积，对减轻移动反应堆的重量与体积具有重要意义。
本发明中的硼化钨不锈钢复合材料中，硼化钨颗粒弥散在不锈钢基体中，把屏蔽材料中的硼含量提高到3％以上，同时材料的密度增加，屏蔽材料的伽玛屏蔽性能提高，与现有的硼钢复合材料相比，硼化钨不锈钢复合材料的中子屏蔽性能、伽玛屏蔽性能均得到提升。
进一步的，所述硼钨化合物的体积为硼钨化合物和不锈钢基体总体积的10％～50％。
进一步的，所述硼钨化合物包括一硼化钨、二硼化钨、硼化二钨、五硼化二钨中的任意一种或多种组合。
进一步的，所述硼钨化合物为一硼化钨。
进一步的，所述硼钨化合物的颗粒粒径为0.5～10微米。
进一步的，所述硼钨化合物的颗粒平均粒径为5微米。
进一步的，所述不锈钢基体为304不锈钢。
为了确保材料有较好的力学性能，钨硼不锈钢复合材料的基体选用304不锈钢材料，304不锈钢材料塑性好，耐腐蚀性能好，使碳化硼不锈钢复合材料具有较好的耐腐蚀性能与力学性能，能够作为结构材料使用。
进一步的，所述硼钨不锈钢复合材料的密度高于8.5g/cm3。
第二方面，本申请提供一种钨硼不锈钢复合材料的制备方法，
包括以下步骤：
步骤1：按比例分别称取一定的硼化钨与不锈钢粉末；
步骤2：将步骤1中称好的硼化钨粉与不锈钢粉末放入高能球磨机中，用高能球磨机进行混料；
步骤3：将步骤2中混合之后的硼化钨粉末与不锈钢粉末的混合物进行烧结、轧制处理，得到硼化钨不锈钢复合材料。
采用高能球磨机处理硼化钨粉末与不锈钢粉末，目的是使硼化钨粉末与不锈钢粉末发生机械合金化，使硼化钨粉末弥散到不锈钢基体内，由于商业化的硼化钨粉末粒径小，在复合材料中体积分数较高，会形成硼化钨包裹不锈钢颗粒的结构，会在复合材料中形成连续的硼化钨脆性相，从而使材料整体变脆。
进一步的，烧结方法为SPS烧结法、热压烧结法、热等静压烧结法中的任意一种。
由于不锈钢粉末表面有一层氢化铬钝化层，阻碍了不锈钢的烧结，因此不锈钢很难致密化，需要采用加压的强化方法进行烧结，即本申请中采用SPS烧结法、热压烧结法、热等静压烧结法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
(1)本发明中的钨硼不锈钢复合材料弥散相硼与钨的各种化合物密度高，钨是一种化学性质稳定的重金属元素，具有较高的伽玛屏蔽效率；硼元素对中能与低能中子具有较高的中子吸收截面，是一种高效中子屏蔽组分，各种组分的硼化钨材料与不锈钢具有较好的相容性，在不锈钢的烧结及其他热加工温度下，不与不锈钢基体发生反应，把硼与钨的化合物弥散在不锈钢基体中，可制备出中子屏蔽性能、伽玛屏蔽性能均优于传统硼不锈钢的复合材料；
(2)本发明中的硼钨不锈钢复合材料集成钨的高密度与高效伽玛屏蔽性能，硼的中子屏蔽性能，不锈钢的高能中子慢化性能，耐腐蚀性能与良好力学性能的特点，是一种性能优异的综合屏蔽材料，可减轻屏蔽体的重量与体积，对减轻移动反应堆的重量与体积具有重要意义；
(3)本发明中的硼化钨不锈钢复合材料中，硼化钨颗粒弥散在不锈钢基体中，把屏蔽材料中的硼含量提高到3％以上，同时材料的密度增加，屏蔽材料的伽玛屏蔽性能提高，与现有的硼钢复合材料相比，硼化钨不锈钢复合材料的中子屏蔽性能、伽玛屏蔽性能均得到提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明中实施例1中制备的钨硼不锈钢复合材料的SEM图，其中1为一硼化钨颗粒，2，为不锈钢基体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
该实施例提供一种钨硼不锈钢复合材料，由一硼化钨颗粒弥散到不锈钢基体中组成，其中一硼化钨的掺量为40％，余量为304不锈钢基体，一硼化钨颗粒的粒径为0.5-5微米。
该钨硼不锈钢复合材料的制备方法为：
步骤1：按比例分别称取一定的硼化钨与不锈钢粉末；
步骤2：将步骤1中称好的硼化钨粉与不锈钢粉末放入高能球磨机中，用高能球磨机进行混料，球磨机转速为300转/分，球磨时间为2小时；
步骤3：将步骤2中混合之后的硼化钨粉末与不锈钢粉末的混合物进行热压烧结处理，得到硼化钨不锈钢复合材料，烧结制度为压力30MPa，温度1100度，保温时间2小时。
对采用上述方法制备的一硼化钨不锈钢复合材料使用扫描电镜进行微观检测，检测结果如图1所示。从电镜图上可以看出，一硼化钨均匀弥散在不锈钢基体中，没有形成连续脆性相，一硼化钨与不锈钢之间没有发生界面反应，相容性好。
实施例2
基于实施例1，该实施例提供一种钨硼不锈钢复合材料，由二硼化钨颗粒弥散到不锈钢基体中组成，其中二硼化钨的掺量为24％，余量为304不锈钢基体，等效硼含量为3％，二硼化钨颗粒的粒径为5微米。
该钨硼不锈钢复合材料的制备方法为：
步骤1：按比例分别称取一定的硼化钨与不锈钢粉末；
步骤2：将步骤1中称好的硼化钨粉与不锈钢粉末放入高能球磨机中，用高能球磨机进行混料，球磨机转速为300转/分，球磨时间为2小时；
步骤3：将步骤2中混合之后的硼化钨粉末与不锈钢粉末的混合物放入不锈钢包套内，抽真空封焊处理，再放放热等静压炉内进行热等静压烧结处理，烧结温度1050度，保温时间1小时，压力150MPa，得到硼化钨不锈钢复合材料。。
实施例3
基于实施例1，该实施例提供一种钨硼不锈钢复合材料，由硼化二钨颗粒弥散到不锈钢基体中组成，其中硼化二钨的掺量为50％，余量为304不锈钢基体，硼化二钨颗粒的粒径为5微米。
该钨硼不锈钢复合材料的制备方法为：
步骤1：按比例分别称取一定的硼化钨与不锈钢粉末；
步骤2：将步骤1中称好的硼化钨粉与不锈钢粉末放入高能球磨机中，用高能球磨机进行混料，球磨机转速为300转/分，球磨时间为2小时；
步骤3：将步骤2中混合之后的硼化钨粉末与不锈钢粉末的混合物放入不锈钢包套内，抽真空封焊处理，再放放热等静压炉内进行热等静压烧结处理，烧结温度1050度，保温时间1小时，压力150MPa，得到硼化钨不锈钢复合材料。
实施例4
基于实施例1，该实施例提供一种钨硼不锈钢复合材料，由二硼化钨颗粒弥散到不锈钢基体中组成，其中二硼化钨的掺量为18％，余量为304不锈钢基体，二硼化钨颗粒的粒径为5微米。
制备方法为：
步骤1：按比例分别称取一定的硼化钨与不锈钢粉末；
步骤2：将步骤1中称好的硼化钨粉与不锈钢粉末放入高能球磨机中，用高能球磨机进行混料，球磨机转速为300转/分，球磨时间为2小时；
步骤3：将步骤2中混合之后的硼化钨粉末与不锈钢粉末的混合物放入不锈钢包套内，抽真空封焊处理，再放放热等静压炉内进行热等静压烧结处理，烧结温度1050度，保温时间1小时，压力150MPa，得到硼化钨不锈钢复合材料。
实施例5
基于实施例1，该实施例提供一种钨硼不锈钢复合材料，由五硼化二钨颗粒弥散到不锈钢基体中组成，其中五硼化二钨的掺量为50％，余量为304不锈钢基体，二硼化钨颗粒的粒径为5微米。
该钨硼不锈钢复合材料的制备方法为：
步骤1：按比例分别称取一定的硼化钨与不锈钢粉末；
步骤2：将步骤1中称好的硼化钨粉与不锈钢粉末放入高能球磨机中，用高能球磨机进行混料，球磨机转速为300转/分，球磨时间为2小时；
步骤3：将步骤2中混合之后的硼化钨粉末与不锈钢粉末的混合物进行SPS烧结处理，得到硼化钨不锈钢复合材料，烧结制度为压力60MPa，温度1100度，保温时间10分钟。
实施例6
该实施例提供一种钨硼不锈钢复合材料，由一硼化钨颗粒弥散到不锈钢基体中组成，其中一硼化钨的掺量为24％，余量为304不锈钢基体，一硼化钨颗粒的粒径为5微米。
该钨硼不锈钢复合材料的制备方法为：
步骤1：按比例分别称取一定的硼化钨与不锈钢粉末；
步骤2：将步骤1中称好的硼化钨粉与不锈钢粉末放入高能球磨机中，用高能球磨机进行混料，高能球磨机转速为400转/分，球磨时间为4小时；
步骤3：将步骤2中混合之后的硼化钨粉末与不锈钢粉末的混合物放入不锈钢包套内，抽真空封焊处理，再放放热等静压炉内进行热等静压烧结处理，烧结温度1000度，保温时间1小时，压力150MPa，得到硼化钨不锈钢复合材料。
实施例7
该实施例提供一种钨硼不锈钢复合材料，由一硼化钨颗粒弥散到不锈钢基体中组成，其中一硼化钨的掺量为10％，余量为304不锈钢基体，一硼化钨颗粒的粒径为5微米。
该钨硼不锈钢复合材料的制备方法为：
步骤1：按比例分别称取一定的硼化钨与不锈钢粉末；
步骤2：将步骤1中称好的硼化钨粉与不锈钢粉末放入高能球磨机中，用高能球磨机进行混料，高能球磨机转速为400转/分，球磨时间为4小时；
步骤3：将步骤2中混合之后的硼化钨粉末与不锈钢粉末的混合物放入不锈钢包套内，抽真空封焊处理，再放放热等静压炉内进行热等静压烧结处理，烧结温度1000度，保温时间1小时，压力150MPa，得到硼化钨不锈钢复合材料。
实施例8
该实施例提供一种钨硼不锈钢复合材料，由一硼化钨颗粒弥散到不锈钢基体中组成，其中一硼化钨的掺量为40％，余量为304不锈钢基体，一硼化钨颗粒的平均粒径为10微米。
该钨硼不锈钢复合材料的制备方法为：
步骤1：按比例分别称取一定的硼化钨与不锈钢粉末；
步骤2：将步骤1中称好的硼化钨粉与不锈钢粉末放入高能球磨机中，用高能球磨机进行混料，球磨机转速为300转/分，球磨时间为2小时；
步骤3：将步骤2中混合之后的硼化钨粉末与不锈钢粉末的混合物进行热压烧结处理，得到硼化钨不锈钢复合材料，烧结制度为压力30MPa，温度1100度，保温时间2小时。
对采用实施例1～8的方法制备的钨硼不锈钢复合材料的密度，Cs137伽玛射线衰减系数、热中子屏蔽率(2mm)、快中子屏蔽率进行检测，检测结果如下表所示，同时与不锈钢和传统的硼不锈钢进行对比。
从上述表格中的检测数据可以看出，硼化钨-不锈钢复合材料的热中子屏蔽性能与快中子屏蔽性能与传统硼不锈钢材料略优于传统硼不锈钢，但其伽玛屏蔽性能与传统硼不锈钢材料相比有明显优势。
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)
1.一种钨硼不锈钢复合材料，其特征在于，包括硼钨化合物，所述硼钨化合物颗粒弥散在不锈钢基体内。
2.根据权利要求1所述的一种钨硼不锈钢复合材料，其特征在于，所述硼钨化合物的体积为硼钨化合物和不锈钢基体总体积的10％～50％。
3.根据权利要求1所述的一种钨硼不锈钢复合材料，其特征在于，所述硼钨化合物包括一硼化钨、二硼化钨、硼化二钨、五硼化二钨中的任意一种或多种组合。
4.根据权利要求3所述的一种钨硼不锈钢复合材料，其特征在于，所述硼钨化合物为一硼化钨。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的钨硼不锈钢复合材料，其特征在于，所述硼钨化合物的颗粒的平均粒径为0.5～10微米。
6.根据权利要求5所述的一种钨硼不锈钢复合材料，其特征在于，所述硼钨化合物的颗粒粒径为5微米。
7.根据权利要求1所述的一种钨硼不锈钢复合材料，其特征在于，所述不锈钢基体为304不锈钢。
8.根据权利要求1～4任意一项所述的一种钨硼不锈钢复合材料，其特征在于，所述硼钨不锈钢复合材料的密度高于8.5g/cm3。
9.一种权利要求1～4任意一项所述的钨硼不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
步骤1：按比例分别称取硼化钨与不锈钢粉末；
步骤2：将步骤1中称好的硼化钨粉与不锈钢粉末放入高能球磨机中，用高能球磨机进行混料；
步骤3：将步骤2中混合之后的硼化钨粉末与不锈钢粉末的混合物进行烧结、轧制处理，得到硼化钨不锈钢复合材料。
10.根据权利要求9所述的一种钨硼不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中的烧结方法为SPS烧结法、热压烧结法、热等静压烧结法中的任意一种。
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