本發(fā)明涉及鐵基核輻射屏蔽材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于屏蔽核輻射的fe-w-b-c合金材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，核工況環(huán)境多樣化，輻射防護(hù)材料的研究制備成為科研領(lǐng)域最為重要的課題之一,傳統(tǒng)的輻射屏蔽材料由于屏蔽性能不夠完備、屏蔽效率低、制備工藝復(fù)雜，力學(xué)性能較差等因素已不能滿足現(xiàn)在核工況的要求。

傳統(tǒng)的屏蔽材料以pb、w合金較為常見，其具有良好的中子和γ射線屏蔽特性，但是材料脆性較大。一些新型的聚合物基、重金屬基屏蔽材料普遍柔韌性較差，而高比重合金(鎢合金)、鉛玻璃、硼鋁合金等材料同樣存在脆性大的缺陷(硼鋁合金易在晶界處形成富硼的硼化物，増加了材料的脆性，使得硼鋁合金韌性降低)。

國內(nèi)陳飛達(dá)、王鵬等研制出纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基、短切碳纖維增強(qiáng)b4c/環(huán)氧樹脂基、鉛硼聚乙烯中子防護(hù)纖維等屏蔽材料；國外也研制出了bn/高密度聚乙烯復(fù)合材料，具有輻射屏蔽性能，但是這些材料的機(jī)械性能不太理想，難以滿足形狀復(fù)雜核設(shè)備部件外圍防護(hù)對于柔軟防護(hù)材料的需求，作為屏蔽體的實(shí)際工程屏蔽件，這些非金屬基材料的機(jī)械性能也滿足不了工程需求。

鐵的密度小、力學(xué)強(qiáng)度高，但由于鐵俘獲熱中子后會放出大量10mev以下的二次γ射線，并不是一種好的核輻射屏蔽材料，業(yè)內(nèi)對于鐵基核輻射屏蔽材料的研究較少，極少見到有關(guān)鐵基核輻射屏蔽材料成果的報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種制備用于屏蔽核輻射的fe-w-b-c合金材料的方法，進(jìn)一步，本發(fā)明還提供通過前述方法制備得到的新型鐵基核輻射屏蔽材料。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種用于屏蔽核輻射的fe-w-b-c合金材料的制備方法，包括以下步驟：

1)混粉與成型：先用球磨機(jī)將fe、w、b、c單質(zhì)粉末研磨混合均勻，得到混合粉末，以質(zhì)量計(jì)，所述混合粉末中w含量為16％-18％、b含量為1.5％-2.5％、c含量為0.35％-0.45％，余量為fe；再將所述混合粉末模壓成型得到壓胚；

2)燒結(jié)：將得到的壓胚在溫度為1350℃-1450℃的條件下燒結(jié)，燒結(jié)完成后冷卻，即可得到所述用于屏蔽核輻射的fe-w-b-c合金材料。

優(yōu)選的，所述混合粉末中w含量為18％、b含量為2.5％、c含量為0.4％，余量為fe。

其中，所述混合粉末模壓成型時(shí)的模壓壓強(qiáng)不低于400mpa。

其中，所述壓胚在真空度不低于10^-3pa的條件下真空燒結(jié)。

優(yōu)選的，所述壓胚真空燒結(jié)的溫度為1450℃，燒結(jié)時(shí)間為45min-60min。

進(jìn)一步地，所述壓胚真空燒結(jié)過程中控制升溫速度為10℃/min。

作為本發(fā)明的另一方面，一種用于屏蔽核輻射的fe-w-b-c合金材料，其采用上述制備方法制備得到。

本發(fā)明取得的有益效果在于：本發(fā)明提供的制備fe-w-b-c合金材料的方法具有工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)，通過該方法制備得到的fe-w-b-c合金材料(鐵基核輻射屏蔽材料)機(jī)械性能良好，對于熱中子、γ射線具有良好的屏蔽效果，可廣泛應(yīng)用于核電站防護(hù)材料、核設(shè)備以及電子儀器射線防護(hù)領(lǐng)域。

附圖說明：

圖1為實(shí)施例1所得鐵基屏蔽合金表面形貌圖；

圖2為實(shí)施例1所得鐵基屏蔽合金微觀組織形貌圖；

圖3為實(shí)施例1所得鐵基屏蔽合金試樣拉伸斷口形貌圖；

圖4為實(shí)施例2所得鐵基屏蔽合金表面形貌圖；

圖5為實(shí)施例2所得鐵基屏蔽合金微觀組織形貌圖；

圖6為實(shí)施例2所得鐵基屏蔽合金試樣拉伸斷口形貌圖；

圖7為實(shí)施例3所得鐵基屏蔽合金表面形貌圖；

圖8為實(shí)施例3所得鐵基屏蔽合金微觀組織形貌圖；

圖9為實(shí)施例3所得鐵基屏蔽合金試樣拉伸斷口形貌圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合3個(gè)實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，實(shí)施例提及的內(nèi)容并非對本發(fā)明的限定。

需要提前說明的是，在本發(fā)明的描述中，“余量為鐵”指的是不考慮各原料組分中含微量雜質(zhì)的情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，由于原料無法達(dá)到100％純度，若使用的原料中包含微量的雜質(zhì)且所含雜質(zhì)不會對最終合金材料的性能產(chǎn)生顯著的影響，則這樣的實(shí)施方案也應(yīng)當(dāng)包括在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。申請人因受客觀實(shí)驗(yàn)條件限制，以下實(shí)施例均采用了同樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、原料類型。其中，采用單質(zhì)粉末制備fe-w-c-b合金試樣，fe粉采用純度較高的羥基粉末，w粉為還原粉，以及采用工業(yè)細(xì)化c粉和b粉，其具體物理及化學(xué)特征見表2.1、2.2、2.3所示。

表2.1原料粉磨特征(％)

表2.2w粉主要雜質(zhì)

表2.3fe粉主要雜質(zhì)

其中，采用行星式球磨機(jī)混合粉末,使w、fe、b、c單質(zhì)粉末進(jìn)一步細(xì)化且混合均勻，采用添加液體石蠟濕磨，之后取出放入干燥箱中蒸發(fā)液體石蠟，其具體工藝如下表2.4所示。

表2.4混合粉末制備工藝及參數(shù)

其中，采用單柱液壓機(jī)模壓成型，將配好的fe-w-c合金粉末和fe-w-c-b合金粉末放到圓柱形和方形模具內(nèi)壓制成型；為了測試合金的力學(xué)性能，分別制備兩種形狀壓坯:圓柱形和方形，成型工藝參數(shù)如表2.5所示。

表2.5成型式樣參數(shù)，用途及壓制參數(shù)

其中，機(jī)械性能測試方法采用常規(guī)方法，在此不足贅述，γ射線屏蔽性能測試實(shí)驗(yàn)是采用中核(北京)核儀器廠生產(chǎn)γ射線屏蔽測試儀，采用¹³⁷cs源，源能量0.661mev，實(shí)驗(yàn)過程中加速電壓為567v，粒子入射時(shí)間40s，且實(shí)驗(yàn)過程中每組樣品多次重復(fù)測量，取平均值、記錄本底數(shù)、和¹³⁷cs源入射粒子數(shù)。中子屏蔽特性測試采用蒙特卡羅方法，以透射比系數(shù)作為評價(jià)合金屏蔽性能指標(biāo)。

實(shí)施例1：

1)混粉與成型：先用球磨機(jī)將fe、w、b、c單質(zhì)粉末研磨混合均勻，得到混合粉末，以質(zhì)量計(jì)，混合粉末中w含量為16％、b含量為1.5％、c含量為0.45％，余量為fe；再將所述混合粉末模壓成型得到壓胚；

2)燒結(jié)：將得到的壓胚在溫度為1450℃的條件下真空燒結(jié)(真空度10^-3pa)，燒結(jié)完成后冷卻至室溫，即可得到用于屏蔽核輻射的fe-w-b-c合金材料。

檢測項(xiàng)目：

1、測量合金材料密度，經(jīng)檢測，本實(shí)施例試樣密度為10.8g/cm³。

2、在金相顯微鏡下觀測該fe-w-b-c合金表面形貌，本實(shí)施例的鐵基屏蔽合金表面形貌見圖1所示，從圖1可以看出，試樣表面“凸起”顆粒均勻而細(xì)，存在微量黑色帶碳化物。

3、將試樣依次采用320#、600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂紙細(xì)磨，然后使用cr2o3拋光粉在拋光機(jī)上拋光，拋光后的試樣表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕30s，腐蝕劑為飽和4％硝酸酒精溶液，采用gx-15的奧林巴斯金相顯微鏡觀察其微觀組織形貌見圖2所示，從圖2可以看出，試樣組織中無顆粒晶界和縫隙，生成了分布不均勻斷續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組織覆蓋在基體相表面，包裹圓形或者環(huán)形組織結(jié)構(gòu)。

4、對試樣進(jìn)行硬度測試，經(jīng)檢測，本實(shí)施例試樣硬度達(dá)到425hv。

5、對試樣進(jìn)行拉伸測試，通過拉伸測試檢測其拉伸強(qiáng)度和伸長率，經(jīng)測得，試樣拉伸強(qiáng)度達(dá)到331mpa，伸長率達(dá)到14.70％，該試樣具有較高的拉伸強(qiáng)度和不錯(cuò)的伸長率，材料韌性合適。

6、采用jeol-jsm-6490la型掃描電子顯微鏡觀察fe-w-c合金和fe-w-c-b合金試樣拉伸斷口形貌見圖3所示，從圖3可以看出，試樣也出現(xiàn)大量的“撕裂棱”，斷面上有極少量凹陷和二次裂紋，韌性斷裂區(qū)域較大，主要為韌性斷裂。

7、測試試樣中子屏蔽能力，以衰減系數(shù)作為參考指標(biāo)，合金中子衰減系數(shù)是曲線斜率的積分，雖然不能非常準(zhǔn)確低對合金中子屏蔽模型提出評價(jià)指標(biāo)，但是其反應(yīng)了材料中子透射比趨勢，對判別材料對中子的屏蔽特性具有參考意義，經(jīng)測得本實(shí)施例中合金材料的衰減系數(shù)值為0.08534。

8、測試試樣γ射線屏蔽能力，采用材料半衰減厚度作為評價(jià)指標(biāo)，經(jīng)測得半衰減厚度值為8.0121。

實(shí)施例2：

1)混粉與成型：先用球磨機(jī)將fe、w、b、c單質(zhì)粉末研磨混合均勻，得到混合粉末，以質(zhì)量計(jì)，混合粉末中w含量為18％、b含量為2.5％、c含量為0.4％，余量為fe；再將所述混合粉末模壓成型得到壓胚；

2)燒結(jié)：將得到的壓胚在溫度為1450℃的條件下真空燒結(jié)(真空度10^-3pa)，燒結(jié)完成后冷卻至室溫，即可得到用于屏蔽核輻射的fe-w-b-c合金材料。

檢測項(xiàng)目：

1、測量合金材料密度，經(jīng)檢測，本實(shí)施例試樣密度為9.8g/cm³。

2、在金相顯微鏡下觀測該fe-w-b-c合金表面形貌，本實(shí)施例的鐵基屏蔽合金表面形貌見圖4所示，從圖4可以看出，試樣表面凸起消失、出現(xiàn)相連的環(huán)形顆粒，且呈現(xiàn)一定方向排列。

3、將試樣依次采用320#、600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂紙細(xì)磨，然后使用cr2o3拋光粉在拋光機(jī)上拋光，拋光后的試樣表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕30s，腐蝕劑為飽和4％硝酸酒精溶液，采用gx-15的奧林巴斯金相顯微鏡觀察其微觀組織形貌見圖5所示，從圖5可以看出，試樣合金組織成環(huán)狀網(wǎng)狀組織分布較為均勻，且內(nèi)部區(qū)域有圓棒狀組織結(jié)構(gòu)的新相生成，組織粗大且相互平行。

4、對試樣進(jìn)行硬度測試，經(jīng)檢測，本實(shí)施例試樣硬度達(dá)到460hv。

5、對試樣進(jìn)行拉伸測試，通過拉伸測試檢測其拉伸強(qiáng)度和伸長率，經(jīng)測得，試樣拉伸強(qiáng)度達(dá)到410mpa，伸長率達(dá)到24.8％，該試樣具有較高的拉伸強(qiáng)度和伸長率，材料韌性也較好。

6、采用jeol-jsm-6490la型掃描電子顯微鏡觀察fe-w-c合金和fe-w-c-b合金試樣拉伸斷口形貌見圖6所示，從圖6可以看出，試樣出現(xiàn)大量的“撕裂棱”，且覆蓋面積多于實(shí)施例1試樣，撕裂棱相對較細(xì)，韌性斷裂區(qū)域較大，以韌性斷裂為主。

7、測試試樣中子屏蔽能力，以衰減系數(shù)作為參考指標(biāo)，經(jīng)測得衰減系數(shù)值為0.08968。

8、測試試樣γ射線屏蔽能力，采用材料半衰減厚度作為評價(jià)指標(biāo)，經(jīng)測得半衰減厚度值為7.7291。

實(shí)施例3：

1)混粉與成型：先用球磨機(jī)將fe、w、b、c單質(zhì)粉末研磨混合均勻，得到混合粉末，以質(zhì)量計(jì)，混合粉末中w含量為17％、b含量為2％、c含量為0.35％，余量為fe；再將所述混合粉末模壓成型得到壓胚；

2)燒結(jié)：將得到的壓胚在溫度為1400℃的條件下真空燒結(jié)(真空度10^-3pa)，燒結(jié)完成后冷卻至室溫，即可得到用于屏蔽核輻射的fe-w-b-c合金材料。

檢測項(xiàng)目：

1、測量合金材料密度，經(jīng)檢測，本實(shí)施例試樣密度為10.4g/cm³。

2、在金相顯微鏡下觀測該fe-w-b-c合金表面形貌，本實(shí)施例的鐵基屏蔽合金表面形貌見圖7所示，從圖7可以看出，試樣表面凸起較少、顆粒分布均勻。

3、將試樣依次采用320#、600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂紙細(xì)磨，然后使用cr2o3拋光粉在拋光機(jī)上拋光，拋光后的試樣表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕30s，腐蝕劑為飽和4％硝酸酒精溶液，采用gx-15的奧林巴斯金相顯微鏡觀察其微觀組織形貌見圖8所示，從圖8可以看出，試樣合金組織生成分布較均勻的環(huán)狀網(wǎng)狀組織，覆蓋在基體相表面，包裹圓形或者環(huán)形組織結(jié)構(gòu)。

4、對試樣進(jìn)行硬度測試，經(jīng)檢測，本實(shí)施例試樣硬度達(dá)到440hv。

5、對試樣進(jìn)行拉伸測試，通過拉伸測試檢測其拉伸強(qiáng)度和伸長率，經(jīng)測得，試樣拉伸強(qiáng)度達(dá)到400mpa，伸長率達(dá)到21％，該試樣同樣具有較高的拉伸強(qiáng)度和伸長率，材料韌性也較好。

6、采用jeol-jsm-6490la型掃描電子顯微鏡觀察fe-w-c合金和fe-w-c-b合金試樣拉伸斷口形貌見圖9所示，從圖9可以看出，試樣斷口無“微坑”和“韌窩”，出現(xiàn)“平臺”與較大的“撕裂棱”形貌，主體上以塑性斷裂為主，晶體的晶界面彼此分離，這種材料的晶間斷裂顯示出很大的延展性。

7、測試試樣中子屏蔽能力，以衰減系數(shù)作為參考指標(biāo)，經(jīng)測得衰減系數(shù)值為0.08753。

8、測試試樣γ射線屏蔽能力，采用材料半衰減厚度作為評價(jià)指標(biāo)，經(jīng)測得半衰減厚度值為7.9752。

為便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明相對于現(xiàn)有金屬基核輻射屏蔽材料的改進(jìn)程度，申請人在同等條件下測試了pb、w、fe板衰減系數(shù)與半衰減厚度，測試結(jié)果見表2.6所示。

表2.6pb、w、fe板衰減系數(shù)與半衰減厚度

綜合以上測試結(jié)果可以知道，本發(fā)明制備的鐵基核輻射屏蔽材料密度為pb板的86％-94％，其與pb板衰減系數(shù)的比值為0.75左右，半衰減厚度為pb板1.3倍左右，反而言之，其屏蔽能力達(dá)到pb板屏蔽能力的70％左右，而密度要比pb板低得多。相比pb板，該合金材料對人要安全得多，更加重要的是，其整體機(jī)械性能也明顯優(yōu)于pb板，考慮材料質(zhì)輕、安全及機(jī)械性能方面的要求，可以采用此合金在大多數(shù)場合代替?zhèn)鹘y(tǒng)的pb合金。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)現(xiàn)方案，除此之外，本發(fā)明還可以其它方式實(shí)現(xiàn)，在不脫離本技術(shù)方案構(gòu)思的前提下任何顯而易見的替換均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

最后，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，為了讓本領(lǐng)域普通技術(shù)人員更方便地理解本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)之處，本發(fā)明的一些描述已經(jīng)被簡化，并且為了清楚起見，本申請文件還省略了一些其它元素，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識到這些省略的元素也可構(gòu)成本發(fā)明的內(nèi)容。