CN111910113A

CN111910113A - 含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料及其制备方法

Info

Publication number: CN111910113A
Application number: CN202010932130.4A
Authority: CN
Inventors: 乔菁; 张泉; 高晓洒; 武高辉; 杨文澍; 陈国钦
Original assignee: Harbin Institute of Technology Shenzhen
Current assignee: Harbin Institute of Technology Shenzhen
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2020-11-10

Abstract

本发明涉及一种含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料，该复合屏蔽材料由硼颗粒、纯钨粉和纯铝粉制备而成，其中含硼颗粒质量分数为0.1％‑35％，纯钨粉质量分数为27％‑99％，纯铝粉质量分数为0.1％‑56％。含硼颗粒是含有¹⁰B同位素的硼单质、碳化硼或氮化硼中的一种或几种的混合。本发明制备的含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料，可实现对中子和伽马射线的综合屏蔽性能，并具有良好的力学强度和延展性，优异的耐高温性能和抗氧化性能。采用含硼颗粒作为中子吸收剂，其中10B同位素含量高，且具有大的中子吸收截面，对热中子具有很好的屏蔽效果。

Description

含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料及其制备方法

技术领域

本发明属于核辐射防护复合材料技术领域，具体涉及一种含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料及其制备方法。

背景技术

随着我国核能发电量的持续提高，乏燃料和核废料的储存输运问题逐渐得到重视。一个兆瓦级的核电站每年要卸掉将近25吨的乏燃料，到2020年，乏燃料总存量将达到7500-10000吨，因此对核屏蔽材料的研究具有重要的工程应用前景和价值。

乏燃料具有强烈的放射性，其中中子和γ射线能量高、穿透能力强，不仅会危害人体健康，同时也会对周围环境造成严重污染，是重点的防护对象。目前常用的核辐射屏蔽材料有核屏蔽混凝土、铅硼聚乙烯、高硼钢、含硼不锈钢以及高分子基核屏蔽复合材料。屏蔽混凝土的成分含量易于控制，但是宏观透射截面小，需要通过增加厚度来提高屏蔽性能，且体积大、强度低；铅硼聚乙烯具有良好的综合屏蔽性能，但是材料耐热性差，且铅有毒，密度高，成本高，在屏蔽过程中可能产生二次韧致辐射。高硼钢晶界易于析出硬脆的硼化物，力学性能较差；含硼不锈钢的硼含量偏低，中子屏蔽效果不理想；高分子基核屏蔽复合材料的耐热性差，制备工艺复杂，生产成本高，应用范围有限。因此，针对辐射屏蔽材料性能单一的问题，国内外学者进行了大量研究，例如含硼或钆的铅基复合屏蔽材料，含铅、硼的铝基复合屏蔽材料，但由于铅本身有毒、硬度低、不耐高温且存在弱吸收区，所以以钨代替铅来屏蔽γ射线成为更好的选择，目前主要是将纯钨或者含钨颗粒作为增强体将入铝合金中，然而大量纯钨或含钨颗粒的加入会显著降低材料的韧性，当含钨颗粒体积分数达到30％左右，复合材料的断裂延伸率几乎为零。

钨铝合金是一种新型结构材料，它兼具钨耐高温和铝轻质抗氧化的优点，与钨相比，其具有更高的硬度，更小的密度，与铝相比具有更好的抗氧化性能，是很有发展前景的一种高硬度、高强度、低密度和高温稳定的特种合金材料。因此，以钨铝合金作为基体不但可以满足γ射线屏蔽对高钨含量的要求，而且可以大大提高屏蔽材料的耐高温性能并避免由于大量纯钨或含钨颗粒的加入导致的脆性，添加硼元素作为中子吸收剂，不仅可实现材料的热中子屏蔽性能，由于含硼颗粒的高硬度，还可以进一步提高材料的强度。目前国内外关于钨铝合金材料研究多采用热压工艺、热等静压工艺和熔炼浇铸法，存在烧结温度高(1200℃以上)、烧结时间长(1～4h)的问题，此外由于钨铝之间固溶度很小，熔点和密度相差巨大，难以用熔炼方法得到钨铝合金。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出一种含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料及其制备方法。

本发明涉及一种含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料，该复合屏蔽材料由硼颗粒、纯钨粉和纯铝粉制备而成，其中含硼颗粒质量分数为0.1％-35％，纯钨粉质量分数为27％-99％，纯铝粉质量分数为0.1％-56％。

进一步地，含硼颗粒是含有10B同位素的硼单质、碳化硼或氮化硼中的一种或几种的混合。

进一步地，所述含硼颗粒的粒径为0.1μm-100μm，所述纯钨粉的粒径为0.1μm-40μm，所述纯铝粉的粒径为0.1μm-40μm。

本发明还涉及一种含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料的制备方法，所述钨铝合金基复合屏蔽材料按以下步骤进行：

步骤(1)按照质量分数称取27％-99％的纯钨粉、0.1％-56％的纯铝粉、0.1％-35％的含硼颗粒和0.1％-1.5％的硬脂酸；

步骤(2)将步骤(1)称取的纯钨粉、纯铝粉和硬脂酸放入球磨罐中进行球磨，球磨罐中通入惰性气体，球料比5：1—15：1，球磨转速200-300r/min，球磨20-140h后得到钨铝合金粉；

步骤(3)将步骤(2)中得到的钨铝合金粉与质量分数0.1％-35％的含硼颗粒放入球磨罐中，在转速100～300r/min的条件下球磨1～5h，得到混合粉体；

步骤(4)将步骤(3)中得到的混合粉体用20-100目筛子进行过筛后放入真空干燥箱，在50-100℃的条件下烘干1-4h得到干燥的混合粉末；

步骤(5)将步骤(4)中得到的干燥混合粉末装入石墨模具中，施加5-20Mpa的压力，压制成素坯；

步骤(6)将素坯和石墨模具一同放入放电等离子体烧结炉中，将炉膛抽真空，在500℃-1200℃的条件下施加25-200MPa的压力，保温保压5-30min，随炉冷却至室温，脱模得到含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料。

进一步地，步骤(2)中所述球磨罐为不锈钢球磨罐，磨球为4-10mm的不锈钢球。

进一步地，步骤(1)中按照质量分数称取99％的纯钨粉、0.8％的纯铝粉、0.1％的含硼颗粒和0.1％的硬脂酸。

进一步地，步骤(1)中按照质量分数称₂取27％的纯钨粉、37％的纯铝粉、35％的含硼颗粒和1％的硬脂酸。

进一步地，步骤(1)中按照质量分数称取78％的纯钨粉、20％的纯铝粉、0.5％的含硼颗粒和1.5％的硬脂酸。

进一步地，步骤(2)中的球料比为(5-15)：1。

本发明制备的含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料，可实现对中子和伽马射线的综合屏蔽性能，并具有良好的力学强度和延展性，优异的耐高温性能和抗氧化性能。采用含硼颗粒作为中子吸收剂，其中¹⁰B同位素含量高，且具有大的中子吸收截面，对热中子具有很好的屏蔽效果。

本发明采用钨铝合金作为基体，使得复合屏蔽材料具有比纯钨或含钨颗粒增强铝基复合材料更好的韧性、抗氧化性能以及耐高温性能；纯钨或含钨颗粒增强铝基复合材料当钨含量高于30％(体积分数)时，断裂延伸率几乎为零，而本发明材料含钨量更高，延伸率仍可达5％以上。此外，也能够更好的屏蔽γ射线，根除了现有γ射线屏蔽铅基材料的易挥发、毒性大、回收处理难等缺点。球磨工艺使得铝粉和钨粉的颗粒得到充分的细化，钨铝合金化有效进行。采用放电等离子体烧结工艺能够大大减少烧结时间，使得烧结样品组织更加均匀，致密度更高。

附图说明

图1为本发明钨铝合金复合屏蔽材料的典型微观组织图。

具体实施方式

本发明涉及一种含硼颗粒的钨铝合金复合屏蔽材料，该复合屏蔽材料由硼颗粒、纯钨粉和纯铝粉制备而成，其中含硼颗粒质量分数为0.1％-35％，纯钨粉质量分数为27％-99％，纯铝粉质量分数为0.1％-56％。

含硼颗粒是含有¹⁰B同位素的硼单质、碳化硼或氮化硼中的一种或几种的混合。含硼颗粒的粒径为0.1μm-100μm，所述纯钨粉的粒径为0.1μm-40μm，所述纯铝粉的粒径为0.1μm-40μm。

本发明还涉及一种含硼颗粒的钨铝合金复合屏蔽材料的制备方法，所述钨铝合金基复合屏蔽材料按以下步骤进行：

步骤(2)将步骤(1)称取的纯钨粉、纯铝粉和硬脂酸放入球磨罐中进行球磨，球磨罐中通入惰性气体，球料比5：1—15：1，球磨转速200-300r/min，球磨20-140h后得到钨铝合金粉；球磨罐为不锈钢球磨罐，磨球为4-10mm的不锈钢球。

步骤(6)将素坯和石墨模具一同放入放电等离子体烧结炉中，将炉膛抽真空，在500℃-1200℃的条件下施加25-200MPa的压力，保温保压5-30min，随炉冷却至室温，脱模得到复合屏蔽材料。

从图1的钨铝合金复合屏蔽材料典型微观组织图中可以看出，本方法制得的材料中，钨铝分布均匀。

下面对本发明内容进行具体说明：

实施例1

按照质量分数称取87％的纯钨粉，12％的纯铝粉和0.5％的硬脂酸放入球磨罐中进行球磨，球磨罐中冲入氩气作为保护气氛，球料比为10：1，球磨转速选择300r/min，球磨70h得到钨铝合金粉。

将得到的钨铝合金粉以及质量分数为0.5％的硼粉放入球磨罐中，100r/min条件下球磨1h，得到混合粉体。将混合粉体用20目筛子进行过筛，然后放入真空干燥箱，在100℃的条件下烘干1h得到干燥的混合粉末。再将干燥的混合粉末装入石墨模具中，施加15MPa的压力，压制成素坯。将素坯和石墨模具一同放入放电等离子体烧结炉中，将炉膛抽真空，在1000℃的条件下施加100MPa的压力，保温保压20min，随炉冷却至室温，脱模得到含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料。

实施例2

按照质量分数称取78％的纯钨粉、20％的纯铝粉和1.5％的硬脂酸放入球磨罐中进行球磨，球磨罐中冲入氩气作为保护气氛，球料比为15：1，球磨转速选择200r/min，球磨70h得到钨铝合金粉。将得到的钨铝合金粉以及质量分数为0.5％的硼粉放入球磨罐中，140r/min条件下球磨1h，得到混合粉体。

将混合粉体用100目筛子进行过筛，然后放入真空干燥箱，在50℃的条件下烘干2h得到干燥的混合粉末。再将干燥的混合粉末装入石墨模具中，施加5MPa的压力，压制成素坯。将素坯和石墨模具一同放入放电等离子体烧结炉中，将炉膛抽真空，在1200℃的条件下施加25MPa的压力，保温保压5min，随炉冷却至室温，脱模得到含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料。

实施例3

按照质量分数称取99％的纯钨粉、0.8％的纯铝粉和0.1％的硬脂酸放入球磨罐中进行球磨，球磨罐中冲入氩气作为保护气氛，球料比为5：1，球磨转速选择250r/min，球磨70h得到钨铝合金粉。将得到的钨铝合金粉以及质量分数为0.1％的硼粉放入球磨罐中，100r/min条件下球磨1h，得到混合粉体。

将混合粉体用80目筛子进行过筛，然后放入真空干燥箱，在60℃的条件下烘干4h得到干燥的混合粉末。再将干燥的混合粉末装入石墨模具中，施加20MPa的压力，压制成素坯。将素坯和石墨模具一同放入放电等离子体烧结炉中，将炉膛抽真空，在800℃的条件下施加200MPa的压力，保温保压30min，随炉冷却至室温，脱模得到含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料。

上述内容仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims

1.一种含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料，其特征在于，该复合屏蔽材料由硼颗粒、纯钨粉和纯铝粉制备而成，其中含硼颗粒质量分数为0.1％-35％，纯钨粉质量分数为27％-99％，纯铝粉质量分数为0.1％-56％。

2.根据权利要求1所述的含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料，其特征在于，所述含硼颗粒是含有¹⁰B同位素的硼单质、碳化硼或氮化硼中的一种或几种的混合。

3.根据权利要求1所述的含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料，其特征在于，所述含硼颗粒的粒径为0.1μm-100μm，所述纯钨粉的粒径为0.1μm-40μm，所述纯铝粉的粒径为0.1μm-40μm。

4.一种上述含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述钨铝合金基复合屏蔽材料按以下步骤进行：

步骤(2)将步骤(1)称取的纯钨粉、纯铝粉和硬脂酸放入球磨罐中进行球磨，球磨罐中通入惰性气体，球磨转速200-300r/min，球磨20-140h后得到钨铝合金粉；

步骤(3)将步骤(2)中得到的钨铝合金粉与步骤(1)称取的含硼颗粒放入球磨罐中，在转速100～300r/min的条件下球磨1～5h，得到混合粉体；

5.根据权利要求4所述的含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述球磨罐为不锈钢球磨罐，磨球为4-10mm的不锈钢球。

6.根据权利要求4所述的含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中按照质量分数称取99％的纯钨粉、0.8％的纯铝粉、0.1％的含硼颗粒和0.1％的硬脂酸。

7.根据权利要求4所述的含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中按照质量分数称取27％的纯钨粉、37％的纯铝粉、35％的含硼颗粒和1％的硬脂酸。

8.根据权利要求4所述的含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中按照质量分数称取78％的纯钨粉、20％的纯铝粉、0.5％的含硼颗粒和1.5％的硬脂酸。

9.根据权利要求4所述的含硼颗粒增强钨铝合金复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的球料比为(5-15)：1。