TWI759437B - 用於核屏蔽應用的碳化鐵鎢硼物體，其製造方法及用途 - Google Patents

用於核屏蔽應用的碳化鐵鎢硼物體，其製造方法及用途 Download PDF

Info

Publication number
TWI759437B
TWI759437B TW107107273A TW107107273A TWI759437B TW I759437 B TWI759437 B TW I759437B TW 107107273 A TW107107273 A TW 107107273A TW 107107273 A TW107107273 A TW 107107273A TW I759437 B TWI759437 B TW I759437B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
added
fecr
sintering
nuclear
shielding
Prior art date
Application number
TW107107273A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201900895A (zh
Inventor
傑西卡 馬歇爾
Original Assignee
瑞典商瑞典合銳材料科技有限公司
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 瑞典商瑞典合銳材料科技有限公司 filed Critical 瑞典商瑞典合銳材料科技有限公司
Publication of TW201900895A publication Critical patent/TW201900895A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI759437B publication Critical patent/TWI759437B/zh

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/14—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on borides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/1039—Sintering only by reaction
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B35/00—Boron; Compounds thereof
    • C01B35/02—Boron; Borides
    • C01B35/04—Metal borides
    • 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
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C22C1/051—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor
    • C22C1/053—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor with in situ formation of hard compounds
    • 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
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C22C1/058—Mixtures of metal powder with non-metallic powder by reaction sintering (i.e. gasless reaction starting from a mixture of solid metal compounds)
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/04—Alloys based on tungsten or molybdenum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/062—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on B4C
    • 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
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/32—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with boron
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C11/00—Shielding structurally associated with the reactor
    • G21C11/02—Biological shielding ; Neutron or gamma shielding
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C11/00—Shielding structurally associated with the reactor
    • G21C11/02—Biological shielding ; Neutron or gamma shielding
    • G21C11/028—Biological shielding ; Neutron or gamma shielding characterised by the form or by the material
    • 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
    • G21F1/06—Ceramics; Glasses; Refractories
    • 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
    • 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
    • G21F1/085—Heavy metals or alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2301/00—Metallic composition of the powder or its coating
    • B22F2301/20—Refractory metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2301/00—Metallic composition of the powder or its coating
    • B22F2301/35—Iron
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2302/00—Metal Compound, non-Metallic compound or non-metal composition of the powder or its coating
    • B22F2302/05—Boride
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2302/00—Metal Compound, non-Metallic compound or non-metal composition of the powder or its coating
    • B22F2302/10—Carbide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0207—Using a mixture of prealloyed powders or a master alloy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
    • C22C33/0278—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
    • C22C33/0292—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5% with more than 5% preformed carbides, nitrides or borides
    • 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
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
    • 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

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Refinement Of Pig-Iron, Manufacture Of Cast Iron, And Steel Manufacture Other Than In Revolving Furnaces (AREA)
  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)

Abstract

本發明係關於一種物體，一種製造該物體的方法以及該物體在核反應器中用於核屏蔽之用途。該物體包含以下以原子百分比(at%)計之元素：硼21-41；鐵25-35；鉻2.0-4.0；碳3-10；及其餘為鎢。

Description

用於核屏蔽應用的碳化鐵鎢硼物體，其製造方法及用途
本發明係關於一種物體，一種製造該物體的方法以及該物體在核反應器中用於核屏蔽之用途。
每個人能源消耗的速度大於目前的發電量，因此此引起了對於可能解決能源差距的核動力作為碳中和(carbon neutral)動力源的可能性的新興趣。尤其，近期磁鐵技術的進步使得控制熔合作為可行的碳負值(carbon-negative)動力源的可能性在不久將來成為真正替代方案。較大的反應器，諸如國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor；ITER)及歐洲聯合環狀反應爐(Joint European Torus；JET)計劃使用鎢金屬及鈹用於電漿面向組件。然而，在此種應用中使用鎢金屬存在一個問題，鎢金屬難以批量製造，此外鎢及鈹在高溫下皆可形成危險的氧化物。因此，有動機尋找更低成本、更安全的替代物。
在設計任何類型的核反應器時，重要的是要考慮如何保護反應器組件免受高中子通量及藉由核反應器所產生的γ射線的影響。就輻射屏蔽而言，需要有效的生物屏蔽，並且亦需要能夠屏蔽反應器的其他部分，諸如電子系統。屏蔽材料必須能夠在短距離內提供對廣泛的高能量放射性物質的保護， 該高能量放射性物質包括α、β及γ射線中子。此等條件對可使用的材料類型有嚴格的限制。屏蔽本身抗活化並且在經照射時不會活化成有害的放射性同位素亦為重要的。此意指不能使用含有大量Ni及Co的材料，因為此等材料在經照射時會有活化危險。
小型模組化分裂反應器及磁約束反應器皆計畫作為下一代核能電廠的一部分。小型模組化核能電廠比目前使用的大型核能電廠具有更安全及更高效的潛力。在磁約束熔合反應器的情況下，其依靠低溫冷卻的銅及/或高溫超導體(High Temperature Superconductor；HTS)產生磁場，因此電漿室與冷導體之間的空間(銅/HTS)受到限制。在此二種情況下，此等類型的反應器在考慮選擇用於輻射屏蔽的材料時產生額外的挑戰，因為此種反應器的幾何形狀意指空間為有限的，因此屏蔽材料必須能夠以薄層施加並且仍然維持屏蔽效率。
因此，挑戰在於尋找一種替代的屏蔽材料，其無需以過大的厚度施加以實現良好的屏蔽；該材料亦不應形成任何暴露於核熔合過程的有害副產物。必須確保材料必不含有會變成有害放射性核種的元素，從而在工作週期結束時會阻礙此種裝置的除役及加油。關鍵為，必須能夠使用習知技術來製造用於此應用的材料。此應用最適合的材料亦會具有良好的抗氧化性及良好的導熱性。
因此，本發明因此提供一種物體，其包含以下以原子百分比(at%)計之元素：硼(B)21-41；鐵(Fe)25-35；鉻(Cr)2-4；碳(C)3-10；及其餘為鎢(W)。本發明將提供一種具有用於核屏蔽之最佳化性質的材料，其為可燒結的，具有盡可能高的密度以及盡可能低的孔隙率。
本發明人驚訝地發現，如本文所揭示的組成範圍將製造一種具有用於核屏蔽之最佳化材料性質的物體。因此，選擇硼與鎢之間的平衡，以便用於核屏蔽的物體具有最佳化吸收性質。
本發明亦關於一種製造物體的方法，其包含以下步驟：a.提供包含元素B、Fe、Cr、C及W之一或多種粉末；b.研磨該一或多種粉末與有機黏合劑以獲得粉末混合物；c.擠壓該經研磨之粉末混合物；及d.燒結該經擠壓之粉末混合物以獲得經燒結之物體；其特徵在於該一或多種粉末包含以下以原子百分比計之元素：硼21-41；鐵25-35；鉻2-4；碳3-10；及其餘為鎢。
此外，本發明亦關於一種物體之用途，其用於製造核反應器中用於核屏蔽的物體。
2:細長特徵
4:空隙
圖1：揭示樣品A之微結構之光學顯微鏡圖像。
圖2：揭示樣品B之微結構之光學顯微鏡圖像。
圖3：揭示樣品C之微結構之光學顯微鏡圖像。
圖4：揭示樣品F之微結構之光學顯微鏡圖像。
因此，本發明的一個態樣係關於一種物體，其包含以下以原子百分比(at%)計之元素：硼(B)21-41；鐵(Fe)25-35；鉻(Cr)2-4；碳(C)3-10；及其餘為鎢(W)。
已發現此組成物就良好的可燒結性、良好的機械性質，在拋光處理步驟期間避免斷裂及拉拔發生的能力以及將孔隙率保持最小程度的方面來說形成最穩定的微結構。
元素的「原子百分比(atomic percent)(at%)」計算如下：
a.使用該粉末中元素的分子量計算每種添加的粉末的「原子分解百分比(atomic breakdown percentage)」，例如，對於B4C，以下述方式計算相對硼含量：(4×B分子量(10.81))/((碳分子量(12.01)+(4×硼分子量(10.81)))×100=78.2wt% B。因此B4C中C的「原子分解百分比」為21.8wt%。
b.藉由將「原子分解百分比」乘以所添加的粉末的重量(以克為單位)來計算「以克計之原子分解」。此步驟將該量轉換為組成物中每種元素存在的原子的重量。
c.藉由取「以克計之原子分解」並且將其除以元素的莫耳質量來計算「莫耳量」。由此測定組成物中每種元素的原子莫耳數。
d.藉由取每種元素的「莫耳量」並且將其除以所有「莫耳量」之總和來計算「原子百分比(at%)」，以將每種原子物質的莫耳分數標準化為百分比。
上下文所述之組成範圍將提供具有高密度、低孔隙率及高導熱性的物體。此種材料性質的組合提供了盡可能高的核屏蔽能力。高密度意指有盡可能高的原子數可用於吸收中子及電磁輻射。材料中任何孔隙的存在皆會對物體吸收輻射及熱的能力產生不利效果。因此，所欲具有盡可能低的孔隙率。獲得具有高導熱性的物體以減少除去不需要的熱積聚所需的能量亦為有益的。
根據一個具體實例，本發明物體具有25-35at%，諸如28至32at%，諸如29至31at%的Fe含量。已發現此組成物就良好的可燒結性、良好的機 械性質，在拋光處理步驟期間避免斷裂及拉拔發生的能力以及將孔隙率保持最小程度的方面來說形成最穩定的微結構。
硼(B)將吸收中子的能量，因此更容易屏蔽。本發明物體中B的含量為21-41at%。為了獲得最佳化屏蔽能力，B含量應盡可能高，以減緩中子。若B含量太低，則所獲得的物體將不具有良好的屏蔽能力。另一方面，若B含量過高，則所獲得的物體將太脆並且亦不會有足夠的W含量以提供對諸如γ射線等的更高能量物質的屏蔽。
鉻將起碳匯(carbon sink)的作用，亦會抑制鐵的磁性，並且具有抗腐蝕性。抗腐蝕性非常重要，因為其可降低製造物體過程中氧化的風險。
碳(C)作為顆粒細化劑。若C含量太低，則可能形成非所欲的脆性相(諸如FeB)，若C含量太高，則有較高的傾向會在物體內形成孔隙及脆性富碳相，此會對材料的屏蔽效率產生不利效果。
鎢(W)構成物體的其餘部分，其將提供對中子的良好屏蔽，而且富含鎢的環境有利於緻密化。若W主要以WC形式添加，則W由C及Fe(Cr)消耗。此意指若W的量不足，則會留下游離C。若存在游離W，則所獲得的物體將具有低密度及多孔微觀結構。因此，W主要以W金屬的形式添加。然而，以WC的形式添加少量的W，諸如作為總組成物的一部分計算不大於5wt% WC可為有利的，以便對抗由WC研磨介質拾取或由聚乙二醇(polyethylene glycol；PEG)產生的組成物變化(該聚乙二醇係用作有機黏合劑，並且作為擠壓助劑)。WC亦可作為WC/WB2生長的成核晶種以自B4C吸收碳。
在本發明中，具有良好可燒結性的物體會具有三維收縮率，諸如15-22%，並且在燒結後，物體將具有來自經擠壓之粉末樣品的緻密燒結結 構。
在一個具體實例中，在如上文或下文所定義的物體中，至少95at%的Fe為硼化物、金屬間硼化物或金屬間碳化物的形式。
在一個具體實例中，在如上文或下文所定義的物體中，至少95at%的Cr為硼化物、金屬間硼化物或金屬間碳化物的形式。
在一個具體實例中，在如上文或下文所定義的物體中，小於5at%的Fe為FeCr的形式。
已觀察到，當用中子轟擊燒結碳化物材料時，將在「硬相-金屬黏合劑相」邊界處形成「氣泡」。此等「氣泡」然後可能積累並且成為一個孔隙；在核屏蔽材料中孔隙的存在為非所欲的，因為孔隙的存在降低了材料的屏蔽效率。因此，具有不含有金屬黏合劑相的材料可為有利的。與燒結碳化物相反，在本發明的情況下，在燒結過程中，所有B4C及W將與FeCr反應，因此產生不含金屬黏合劑相的物體。因此，本發明的物體不是燒結碳化物。典型地，對於燒結碳化物而言，當添加含Fe及Cr的粉末時，組成物按照化學計量平衡提供碳，大部分Fe及Cr會在燒結後形成FeCr金屬黏合劑相，諸如至少95%的Fe及至少95at%的Cr會以FeCr金屬黏合劑相的形式存在，並且僅存在痕量的Fe及Cr作為金屬間碳化物。反之，對於本發明的物體而言，大部分，諸如至少95at%的Fe及至少95at%的Cr以硼化物(諸如FeB或Fe2B)或金屬間硼化物(如B8Fe5W7)或金屬間碳化物的形式存在。此外，不存在或僅形成痕量的FeCr金屬黏合劑相，諸如小於5at%，因此本發明的物體可被認為不具有金屬黏合劑相。
本發明的另一態樣係關於一種製造物體的方法，其包含以下步驟：a.提供包含元素B、Fe、Cr、C及W之一或多種粉末； b.研磨該一或多種粉末與有機黏合劑以獲得粉末混合物；c.擠壓該經研磨之粉末混合物；及d.燒結該經擠壓之粉末混合物以獲得經燒結之物體；其特徵在於該一或多種粉末包含以下以原子百分比計之元素：硼 21-41；鐵 25-35；鉻 2-4；碳 3-10；及其餘為鎢。
典型地藉由使用球磨機將該一或多種粉末與有機黏合劑一起研磨。添加有機黏合劑以幫助擠壓，有機黏合劑典型地為聚(乙二醇)(PEG)，諸如PEG 34。典型地，然後藉由使用擠壓方法，例如使用TOX壓機將粉末成形為形狀。然後在擠壓之後，例如使用燒結HIP爐燒結粉末混合物。然而，可使用其它研磨、成形及燒結方法以及用於本文所述之本發明的方法的其他擠壓助劑。
亦應了解，在燒結步驟之前加入預燒結步驟亦可為有用的。
在本發明中，術語「粉末」係指固體物質的精細乾燥粒子。
在一個具體實例中，如上文或下文所定義的燒結方法為反應燒結製程。在本發明中，術語「反應燒結」係指化學反應在燒結過程期間原位發生，使得存在於經燒結之物體中的相的組合與以其粉末形式提供的元素及/或化合物的組合不同。此與典型地用於製造燒結碳化物或金屬陶瓷的習知液體狀態燒結不同，因為在習知液體狀態燒結中，存在於經燒結之材料中的相的組合與以粉末形式添加的原始元素及化合物的組合相同。習知液相經燒結之碳化物在液相點以下具有一些固態緻密化反應，但大部分緻密化發生在液相溫度範圍 內，而非固態相互作用期間，而本發明所揭示的材料物體並非此種情況。
對於本發明，燒結製程可在1450℃-1520℃之間的溫度下以及在真空或燒結HIPing(典型地在約50巴下)在氬氣氛圍中進行。加熱時反應在粉末混合物內發生。在燒結循環期間，首先除去有機黏合劑。然後，典型地在約550℃下以固態發生初始反應。進一步的反應在約800℃下開始發生，形成介穩相，在1000℃以上形成更穩定的相。在燒結過程期間，存在的WC及B4C被消耗，並且形成各種混合相，包括FeB、WB及WB2。亦可存在其他更複雜的FexWyBz相。使用反應燒結製程可能獲得良好的收縮率及尺寸控制，因為與基於碳化鎢之燒結碳化物的習知液相燒結相比，此製程具有相似的質量損失及三維收縮率。反應燒結製程致使物體在燒結後沒有形成任何金屬黏合劑。重要的是，該等物體可使用標準工業燒結設備及製程來製造。
在一個具體實例中，硼以B4C粉末的形式添加。添加量以所添加的一或多種粉末之總量計為4wt%至9wt%。若B4C的量小於4wt%，則不會實現有用的富含硼的屏蔽材料，因為所獲得的材料將燒結不良，遭受相當大的分層並且將非常脆。若B4C的添加量大於9wt%，則存在可燒結性的問題，因為由於不足夠的W金屬可與硼反應的可能性，孔隙率有增加的風險。由於孔隙率會影響屏蔽效率，所以保持孔隙率盡可能低是非常重要的。或者硼可以等量的FeB、WB、元素B或CrB來添加。
在本發明中，術語「重量百分比(weight percent)(wt%)」係指與提供的粉末之總量相比，稱重的一或多種粉末的相對重量。
在一個具體實例中，如上文或下文中所定義的方法，鐵及鉻以FeCr粉末的形式添加，其量為17-26wt%。選擇FeCr的添加量以獲得物體內Fe的最佳化原子量。根據一個具體實例，所添加的FeCr粉末的Cr含量為FeCr之總量的2至20wt%，諸如2至8wt%。換言之，若添加至組成物中的FeCr的量為20 wt%，則其中的0.4-4wt%為Cr，及其餘為Fe。典型地以預合金形式添加FeCr，因為此降低了Fe存在的氧化及腐蝕風險。Cr亦可以Cr3C2或Cr金屬的形式添加。若FeCr係由低於2wt%的Cr所組成，則在處理期間氧化的風險增加，並且經燒結之物體將具有降低的抗腐蝕性。然而，若FeCr的量係由大於20wt% Cr所組成，則Cr的濃度會過高，此會致使B摻入量的淨減少，因此降低了物體的屏蔽效率。Fe8Cr(意指FeCr具有8wt%的Cr含量)為用於製造W-B-FeCr材料的FeCr的最常見組成。
根據一個具體實例，如上文或下文中所定義的方法，W以W及視需要使用之WC的形式，諸如視需要使用之<5wt% WC的形式添加。
在上文或下文所揭示的組成範圍內，可選擇特定的組成物用於在特定類型的核反應器或核反應器的特定部分中使用的最佳化物體性質。例如，若物體的主要目的為屏蔽具有顯著的γ射線及快中子偶發(fast neutron contingent)的通量，則可選擇更富含W的組成物。另一方面，若物體的主要目的為屏蔽慢中子為最常見普遍偶發中的通量，則可選擇更富含硼的組成物。
以下實施例為說明性非限制性實例。
實施例
自實驗可看出，使用W金屬而非WC作為主要組分的材料顯示更為有希望的結果。
實施例中所使用的材料使用標準實驗室粉末冶金方法所製備。在所有實施例中，FeCr以Fe8Cr的形式存在(意指FeCr具有8wt%的Cr含量)並且硼源以B4C的形式存在，其具有8μm的目標顆粒尺寸。按照表1所示的量稱重粉末，並且將其與PEG3400有機黏合劑及碳化鎢介質以粉末：研磨介質比例為9：1在乙醇及水中研磨2小時。然後將粉末乾燥、篩分以及用TOX壓機或分離模以100MPa的目標壓力擠壓。然後在50巴下使用真空(DMK)循環將經擠壓 之樣品在1450℃及1520℃之間的溫度下燒結1小時。對於一些含硼較多的樣品使用較高的燒結溫度以改良晶體品質及機械性質，細節在下表1中給出。樣品的截面使用濕式研磨及具有膠態氧化矽的連續細鑽石拋光作為最後階段拋光來進行拋光。然後藉由光學及掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy；SEM)檢查樣品。下面表1顯示所測試的實施例之彙總，其包括所測試的粉末樣品的重量百分比及以原子百分比計之經燒結之樣品的組成，並且表2顯示每個實施例材料在燒結後的性質。
Figure 107107273-A0305-02-0011-1
Figure 107107273-A0305-02-0012-2
表2中的性質係根據用於密度之ISO 3369：1975及用於硬度之ISO 3878：1983所測量。「相較於理論密度的密度(%)」定義為所測量之密度除以理論密度x100。在本發明中，近似理論密度係如本文所揭示測量基於硼之化合物之方式測量，在反應燒結期間發生相當大量的相變。理論密度定義為燒結之前試劑的加權平均密度。
在許多實施例中，相較於理論密度的密度大於100%，此被假定為因為在燒結過程期間存在碳損失。
樣品A、B及C顯示落在本發明的組成範圍外並且在燒結之後具有較差的結構的比較例組成物。樣品D、E及F顯示落入本發明範圍內並且具有最佳化經燒結之結構的實施例組成物。
圖1顯示樣品A的光學顯微鏡圖像。樣品A具有太多的Fe、太少 的B以及太少的C。樣品為脆的；其亦較差地被燒結且在拋光時容易斷裂。微結構中的細長特徵(2)表明脫黏效果差。
圖2顯示樣品B的光學顯微鏡圖像。樣品B具有太多的Fe以及太少的W。微結構中存在空隙(4)並且存在明顯的脆性斷裂。
圖3顯示樣品C的光學顯微鏡圖像。樣品C具有太少的Fe。此樣品非常多孔，並且在微結構中存在空隙(4)。
樣品D、E及F落入本發明的組成範圍內。此等樣品通常具有「更高的密度/理論密度」、更少的孔隙及空隙，並且不易斷裂。圖4顯示落入本發明範圍內的樣品的實例微結構。
本發明物體的結構及性質比燒結碳化物更類似於陶瓷。電子背向散射繞射(Electron backscatter diffraction；EBSD)分析顯示了以下證據，本發明物體的結構主要為由硼化鐵分離的硼化鐵鎢區域及痕量的其他相(諸如WB及WC)，但沒有金屬黏合劑相。因此，對於本發明的物體，在可能發生「起泡」的地方不存在「硬相-金屬結合相」邊界。
表3顯示使用Zeiss Supra 55VP FEGSEM在樣品E及F上完成的(EBSD)分析檢測到的相的結果。“痕量”係指<2%豐度(abundance)，「顯著」係指2-15%豐度，「豐富」係指>15%豐度，「主要」係指豐度>25%。在能夠量化不同相之豐度的EBSD技術的準確度內，該分析顯示，FeCr不存在可檢測到的存在，即<5at%。Fe的存在被檢測為Fe2B、FeB及B8Fe5W7的形式，即>95at%的Fe以硼化物、金屬間硼化物或金屬間碳化物的形式存在。
Figure 107107273-A0305-02-0014-3
2:細長特徵

Claims (16)

  1. 一種在核反應器中用於核屏蔽的物體，其包含以下以原子百分比(at%)計之元素：硼 21-41；鐵 25-31；鉻 2-4；碳 3-10；及其餘為鎢。
  2. 如請求項1所述之物體，其中至少95at%的Fe為硼化物、金屬間硼化物或金屬間碳化物的形式。
  3. 如請求項1或2所述之物體，其中至少95at%的Cr為硼化物、金屬間硼化物或金屬間碳化物的形式。
  4. 如請求項1或2所述之物體，其中小於5at%的Fe為FeCr的形式。
  5. 如請求項3所述之物體，其中小於5at%的Fe為FeCr的形式。
  6. 一種製造在核反應器中用於核屏蔽的物體的方法，其包含以下步驟：a.提供包含元素B、Fe、Cr、C及W之一或多種粉末；b.研磨該粉末與有機黏合劑以獲得粉末混合物；c.擠壓該經研磨之粉末混合物；及d.燒結該經擠壓之粉末混合物以獲得經燒結之物體；其特徵在於在步驟a.中所添加的該等粉末包含以下以原子百分比計之元素：
    Figure 107107273-A0305-02-0015-4
    Figure 107107273-A0305-02-0016-5
     及其餘為鎢。
  7. 如請求項6所述之方法，其中該燒結步驟為反應燒結製程。
  8. 如請求項6或7所述之方法，其中硼係以B4C的形式添加。
  9. 如請求項6或7所述之方法，其中鐵及鉻係以FeCr的形式添加。
  10. 如請求項8所述之方法，其中鐵及鉻係以FeCr的形式添加。
  11. 如請求項6或7所述之方法，其中W係以W及視需要使用之WC的形式添加。
  12. 如請求項8所述之方法，其中W係以W及視需要使用之WC的形式添加。
  13. 如請求項9所述之方法，其中W係以W及視需要使用之WC的形式添加。
  14. 如請求項10所述之方法，其中W係以W及視需要使用之WC的形式添加。
  15. 如請求項11所述之方法，其中WC的添加量小於5wt%。
  16. 一種如請求項1至5中任一項所述之物體之用途，其用於製造核反應器中用於核屏蔽的物體。
TW107107273A 2017-05-11 2018-03-05 用於核屏蔽應用的碳化鐵鎢硼物體，其製造方法及用途 TWI759437B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
??17170735.9 2017-05-11
EP17170735.9 2017-05-11
EP17170735.9A EP3401413B1 (en) 2017-05-11 2017-05-11 An iron tungsten borocarbide body for nuclear shielding applications

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201900895A TW201900895A (zh) 2019-01-01
TWI759437B true TWI759437B (zh) 2022-04-01

Family

ID=58772342

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW107107273A TWI759437B (zh) 2017-05-11 2018-03-05 用於核屏蔽應用的碳化鐵鎢硼物體，其製造方法及用途

Country Status (14)

Country Link
US (1) US11279991B2 (zh)
EP (2) EP3650562B1 (zh)
JP (1) JP7097392B2 (zh)
KR (1) KR102563401B1 (zh)
CN (1) CN110603340B (zh)
BR (1) BR112019023343B1 (zh)
CA (1) CA3060114A1 (zh)
ES (2) ES2775216T3 (zh)
HU (1) HUE049251T2 (zh)
PT (1) PT3650562T (zh)
RU (1) RU2761020C2 (zh)
SI (1) SI3401413T1 (zh)
TW (1) TWI759437B (zh)
WO (1) WO2018206173A1 (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112779455A (zh) * 2019-11-07 2021-05-11 有研工程技术研究院有限公司 一种高密度含硼复合材料制备方法
US11351609B2 (en) * 2020-07-15 2022-06-07 Millennitek Llc Synthesis of tungsten tetraboride
CN113755711B (zh) * 2021-08-18 2022-05-20 西安理工大学 一种W-Fe-B硬质合金的制备方法
CN113798487B (zh) * 2021-08-27 2022-07-08 四川大学 一种Fe基球形屏蔽合金粉末及其制备方法
CN114525451B (zh) * 2022-02-08 2023-04-14 有研工程技术研究院有限公司 一种屏蔽型非等原子比高熵合金钢及其制备方法
CN115125424B (zh) * 2022-05-25 2023-03-10 广州赛隆增材制造有限责任公司 间接3d打印用金属陶瓷喂料及其制备方法、应用
CN116254433B (zh) * 2023-03-17 2023-07-21 哈尔滨工业大学 一种低密度高强韧AlMoNbTaTiZr系难熔高熵合金的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2109409A (en) * 1981-10-19 1983-06-02 Toyo Kohan Co Ltd Sintered hard alloy
WO2012023265A1 (ja) * 2010-08-18 2012-02-23 東洋鋼鈑株式会社 熱中性子遮蔽材料及びその製造方法
CN105803267A (zh) * 2014-12-29 2016-07-27 北京有色金属研究总院 屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料及制备方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3988118A (en) * 1973-05-21 1976-10-26 P. R. Mallory & Co., Inc. Tungsten-nickel-iron-molybdenum alloys
JPS583001B2 (ja) * 1977-12-16 1983-01-19 財団法人特殊無機材料研究所 中性子吸収材とその製造方法
EP0484014A1 (en) * 1990-11-02 1992-05-06 The Dow Chemical Company Boron carbide-reactive metal cermets having microstructure tailored by post-densification heat treatment
IL110663A (en) * 1994-08-15 1997-09-30 Iscar Ltd Tungsten-based cemented carbide powder mix and cemented carbide products made therefrom
CN100554468C (zh) * 2004-03-05 2009-10-28 三菱综合材料C.M.I.株式会社 具有高强度和高硬度的钨系烧结材料以及由其制成的光学玻璃透镜的热压成型模具
AU2006328976B2 (en) * 2005-12-20 2012-05-17 H. C. Starck Gmbh Metal borides
CN102112642B (zh) * 2008-06-02 2013-11-06 Tdy工业有限责任公司 烧结碳化物-金属合金复合物
CN101353771B (zh) * 2008-09-09 2010-09-01 沈阳铸造研究所 一种钨基非晶合金
US9328404B2 (en) * 2009-04-20 2016-05-03 Lawrence Livermore National Security, Llc Iron-based amorphous alloys and methods of synthesizing iron-based amorphous alloys
CN103459351B (zh) * 2010-12-28 2015-11-25 维尔科材料有限公司 基于碳化硼的材料和其制造工艺
WO2014021600A1 (ko) * 2012-07-30 2014-02-06 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단 중성자 흡수소재 및 그의 제조방법
RU2532776C1 (ru) * 2013-06-21 2014-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" Твердый сплав на основе вольфрама (варианты)
CN103695680B (zh) * 2013-12-11 2016-04-27 西安交通大学 一种Fe、W、C三元相碳化物Fe6W6C的制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2109409A (en) * 1981-10-19 1983-06-02 Toyo Kohan Co Ltd Sintered hard alloy
WO2012023265A1 (ja) * 2010-08-18 2012-02-23 東洋鋼鈑株式会社 熱中性子遮蔽材料及びその製造方法
CN105803267A (zh) * 2014-12-29 2016-07-27 北京有色金属研究总院 屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
ES2775216T3 (es) 2020-07-24
CN110603340B (zh) 2021-12-31
EP3650562A1 (en) 2020-05-13
EP3401413A1 (en) 2018-11-14
BR112019023343A2 (pt) 2020-06-16
RU2761020C2 (ru) 2021-12-02
CN110603340A (zh) 2019-12-20
US20200176142A1 (en) 2020-06-04
WO2018206173A1 (en) 2018-11-15
SI3401413T1 (sl) 2020-03-31
PT3650562T (pt) 2023-10-19
JP7097392B2 (ja) 2022-07-07
BR112019023343B1 (pt) 2023-04-11
HUE049251T2 (hu) 2020-09-28
KR20200004806A (ko) 2020-01-14
EP3650562B1 (en) 2023-09-27
TW201900895A (zh) 2019-01-01
RU2019139243A (ru) 2021-06-11
RU2019139243A3 (zh) 2021-06-11
CA3060114A1 (en) 2018-11-15
ES2965904T3 (es) 2024-04-17
EP3401413B1 (en) 2020-01-08
KR102563401B1 (ko) 2023-08-03
JP2020519887A (ja) 2020-07-02
US11279991B2 (en) 2022-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI759437B (zh) 用於核屏蔽應用的碳化鐵鎢硼物體，其製造方法及用途
Feng et al. Low‐temperature sintering of single‐phase, high‐entropy carbide ceramics
Zhang et al. Understanding the oxidation behavior of Ta–Hf–C ternary ceramics at high temperature
Wang et al. Preparation of spherical tungsten and titanium powders by RF induction plasma processing
CN101880808B (zh) 一种纳米氧化物弥散增强超细晶钨基复合材料的制备方法
Zhang et al. Defect behavior and radiation tolerance of MAB phases (MoAlB and Fe2AlB2) with comparison to MAX phases
Pötschke et al. Fundamentals of sintering nanoscaled binderless hardmetals
Gu et al. Novel Crystal Growth of In Situ WC in Selective Laser‐Melted W–C–Ni Ternary System
Dash et al. Preparation and neutronic studies of tungsten carbide composite
Waseem et al. Tungsten-based composites for nuclear fusion applications
Neuman et al. Microstructure and mechanical properties of reaction‐hot‐pressed zirconium diboride based ceramics
Neuman et al. Factorial design to minimize residual oxygen in reaction hot‐pressed zirconium diboride
Lee et al. Microstructural characterization and densification of W-1 wt% La2O3 composite powders synthesized by ultrasonic spray pyrolysis
Nguyen et al. Synthesis of YB2C2 by high‐energy ball milling and reactive spark plasma sintering
Cui et al. Microstructure and High‐temperature Oxidation Behavior of Ti 3 AlC 2/W Composites
Litwa et al. A novel Fe–Cr–Nb matrix composite containing the TiB2 neutron absorber synthesized by mechanical alloying and final hot isostatic pressing (HIP) in the Ti-tubing
Akçamlı et al. Synthesis of bulk nanocrystalline HfB 2 from HfCl 4–NaBH 4–Mg ternary system
Zhou et al. Pulse Electric Current–Aided Reactive Sintering of High‐Purity Zr 3 Al 3 C 5
Sun et al. Optimization of Processing Parameters for WC-11Co Cemented Carbide Doped with Nano-Crystalline CeO 2
Du et al. Formation of bulk titanium boride (TiB) nano‐ceramic with Fe–Mo addition by electric‐field‐activated‐sintering
Xie et al. Effect of Mo/B atomic ratio on the properties of Mo2NiB2-based cermets
Yan et al. Thermal Properties of Hot Isostatic Pressing Al/B4C Composites with 50wt% B4C Content
Bashirom et al. Effect of microwave and conventional heating on sintering behavior of Cu-10vol.% SiC nanocomposites
Wang et al. Preparation of TiB2/TiN nanocomposites by SP
Kim et al. Synthesis, processing and properties of Ti {sub 5} Si {sub 3}