一種鋁基硼化鎢復合材料及其制備方法與流程

本發明屬于輻射防護技術領域，涉及一種鋁基硼化鎢復合材料及其制備方法。

背景技術：

核電廠、核動力裝置輻射場環境下有大量的x、γ射線、中子，這些x、γ射線及中子需要輻射防護屏蔽材料，目前常用的材料有鉛硼聚乙烯、含硼聚丙烯、鎘板、硼鋼、鎢基高比重合金、碳化硼和鋁基碳化硼等材料，上述材料只有鉛硼聚乙烯材料可以同時屏蔽x、γ射線及中子，其他材料只能對x、γ射線或中子中的一種具有屏蔽效果。鉛硼聚乙烯材料成分中含有大量的鉛，由于鉛無法降解，一旦進入環境很長時間仍保持其可用性，在環境中長期持久存在，又對生命組織有較強的潛在毒性，嚴重情況可能致人死亡。鉛在很多國家被列為強污染源，很多國家核的確開始限制使用，所以繼續一種可以無鉛又可以防護x、γ射線及中子的材料。專利201410075532.1公開了一種碳化硅／硼化鎢復合材料及其制備方法。該復合材料由鎢二硼五增強相和碳化硅基體組成，鎢二硼五增強相均勻彌散地分布于碳化硅基體中。采用碳化鎢粉、碳化硼粉和硅粉，或者碳化鎢粉、碳化硼粉、硅粉和碳化硅粉、鎢二硼五粉之一種或兩種為原料，經物理機械方法混合8～24小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10～20mpa；在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為1～20℃/分鐘，燒結溫度為1600～2000℃、燒結時間為0.5～3小時、燒結壓強為10～300mpa。但該復合材料的屏蔽效果并不理想。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種鋁基硼化鎢復合材料及其制備方法。該鋁基硼化鎢復合材料具有相對密度高、良好的x、γ射線及中子屏蔽性能，采用熱等靜壓工藝制備，并采用玻璃噴丸進行表面處理，制備工藝簡單，適合批量化生產。

本發明提供了如下的技術方案：

一種鋁基硼化鎢復合材料，原料包括硼化鎢粉末，以及純鋁粉末和鋁合金粉末中的一種或兩種。

在上述方案中優選的是，原料包括質量百分比為5~50%的硼化鎢粉末和50~95%的純鋁粉末和鋁合金粉末中的一種或兩種。

在上述任一方案中優選的是，所述硼化鎢粉末中硼化鎢含量為99%以上。

在上述任一方案中優選的是，所述硼化鎢粉末的粒度為0.5~25μm。所述硼化鎢粉末的粒度優選為0.5~10μm或10~25μm，進一步優選為0.5μm、10μm或25μm。

在上述任一方案中優選的是，所述純鋁粉末和鋁合金粉末中的一種或兩種的粒度為0.5~75μm。，所述鋁合金粉末的粒度優選為0.5~10μm、10~25μm或25~75μm。進一步優選為0.5μm、10μm、25μm或75μm。

在上述任一方案中優選的是，所述硼化鎢粉末為硼化二鎢粉末。

在上述任一方案中優選的是，所述鋁合金粉末為1100鋁粉和/或6061鋁合金粉末。

本發明所述鋁基硼化鎢復合材料的原料包括不可避免帶入的雜質。

本發明還提供鋁基硼化鎢復合材料的制備方法，包括以下各步驟：

（1）原料粉末配制步驟：將硼化鎢粉末和純鋁粉末和鋁合金粉末中的一種或兩種混合均勻，得到混合粉末；

（2）熱等靜壓成形步驟：將所述混合粉末裝入包套，經過抽氣、密封、熱等靜壓處理，得到熱等靜壓坯料；

（3）機加工步驟：將所述熱等靜壓坯料去除包套，根據成品圖紙要求加工即可，得到加工坯料；

（4）表面處理步驟：將所述加工坯料進行表面處理。

在上述方案中優選的是，所述原料粉末配制步驟中，原料混合時間為6~26小時。

在上述任一方案中優選的是，所述原料粉末配制步驟中，原料混合時間為6小時。

在上述任一方案中優選的是，所述原料粉末配制步驟中，原料混合時間為12小時。

在上述任一方案中優選的是，所述原料粉末配制步驟中，原料混合時間為18小時。

在上述任一方案中優選的是，所述原料粉末配制步驟中，原料混合時間為26小時。

在上述任一方案中優選的是，所述熱等靜成形步驟中，包套抽真空溫度為200-450℃。包套抽真空溫度為200以上，不高于450℃。除氣效率更高，殘留氣體更少。包套抽真空溫度更優選為200℃、300℃、400℃或450℃；

在上述任一方案中優選的是，所述包套進行熱等靜壓處理，壓力為70-150mpa，溫度為400-620℃，保溫時間為1.5~4小時。保溫時間更長，得到的坯料致密度更高，與硼化鎢的界面結合更加充分。熱等靜壓壓力更優選為70mpa、120mpa或150mpa；熱等靜壓溫度更優選為400℃、500℃或620℃；熱等靜壓保溫時間更優選為1.5小時、3小時或4小時。

在上述任一方案中優選的是，所述熱等靜成形坯料的相對密度大于99.5%。

在上述任一方案中優選的是，所述表面處理步驟采用玻璃珠噴丸處理。

本發明與現有技術方案相比具有以下有益效果：

（1）本發明所述一種鋁基硼化鎢復合材料及其制備方法，采用微米級粉末，容易購買，價格低廉。（2）本發明采用熱等靜成形與燒結同時進行，工序簡單，材質均勻，材料致密度高，相對密度達到99.5%以上。（3）本發明采用玻璃珠噴丸處理工藝對鋁基硼化鎢復合材料進行表面處理，有效避免了腐蝕。綜上所述，采用本發明制備的鋁基硼化鎢復合材料具有相對密度高、良好的x、γ射線及中子屏蔽性能等特點，可應用于核電廠、核動力裝置等輻射防護領域，具有廣泛的應用前景。采用上述方法制備的鋁基硼化鎢復合材料具有相對密度大于99.5%，材料室溫抗拉強度大于300mpa、屈服強度大于200mpa、延伸率大于5%。

附圖說明

圖1是本發明的鋁基硼化鎢復合材料及其制備方法的一優選實施例的流程圖；

圖2是圖1所示本發明的鋁基硼化鎢復合材料及其制備方法的一優選實施例的微觀組織圖。

具體實施方式

為了進一步了解本發明的技術特征，下面結合具體實施例對本發明進行詳細地闡述。實施例只對本發明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本領域的技術人員在本發明的基礎上做出的任何非實質性的修改，都應屬于本發明的保護范圍。

本發明硼化鎢粉末可購自錦州海鑫，純鋁粉末和鋁合金粉末中的一種或兩種可購自浙江乾元。

實施例1

本實施例提供的鋁基硼化鎢復合材料質量百分比為：硼化鎢粉末：5%，純鋁粉：95%。所述硼化鎢粉末為硼化二鎢粉末，所述含鋁粉末采用純鋁粉。

本實施例的鋁基硼化鎢復合材料的制備方法如圖1所示，包括如下步驟：

（1）原料粉末配制步驟：將粒度為0.5μm硼化鎢粉50g、粒度為75μm的純鋁粉末950g混合均勻，混合時間為6小時得到1000g混合粉末；

（2）熱等靜壓成形步驟：將所述混合粉料裝入包套、真空抽氣溫度為200℃、密封、熱等靜壓處理，壓制壓力為70mpa，溫度為400℃，保溫時間為1.5小時，得到熱等靜壓坯料；

（3）機加工步驟：將所述熱等靜壓坯料去除包套，根據成品圖紙要求加工即可，得到加工坯料；

（4）表面處理步驟：將所述加工坯料采用玻璃珠噴丸進行表面處理。

本實施例制備的鋁基硼化鎢復合材料的微觀組織如圖2所示，本實施例制備的鋁基硼化鎢復合材料相對密度為99.5%，室溫抗拉強度為305mpa、屈服強度為210mpa、延伸率為5.5%。并且，經過輻射實驗，本實施例的x、γ射線及中子屏蔽復合材料既能屏蔽x、γ射線，也能屏蔽中子。

實施例2

本實施例提供的鋁基硼化鎢復合材料質量百分比為：硼化鎢粉末：40%，鋁合金粉末：60%。所述硼化鎢粉末為硼化二鎢粉末，所述鋁合金粉末采用1100鋁粉。

本實施例的鋁基硼化鎢復合材料的制備方法如下：

（1）原料粉末配制步驟：將粒度為25μm硼化鎢粉400g、粒度為0.5μm的鋁合金粉末600g混合均勻，混合時間為26小時得到1000g混合粉末；

（2）熱等靜壓成形步驟：將所述混合粉料裝入包套、真空抽氣溫度為450℃、密封、熱等靜壓處理，壓制壓力為150mpa，溫度為620℃，保溫時間為4小時，得到熱等靜壓坯料；

（3）機加工步驟：將所述熱等靜壓坯料去除包套，根據成品圖紙要求加工即可，得到加工坯料；

（4）表面處理步驟：將所述加工坯料采用玻璃珠噴丸進行表面處理。

本實施例制備的鋁基硼化鎢復合材料相對密度為99.6%，室溫抗拉強度為320mpa、屈服強度為215mpa、延伸率為6%。并且，經過輻射實驗，本實施例的x、γ射線及中子屏蔽復合材料既能屏蔽x、γ射線，也能屏蔽中子。

實施例3

該實施例提供的鋁基硼化鎢復合材料質量百分比為：硼化鎢粉末：31%，鋁合金粉末：69%。所述硼化鎢粉末為硼化二鎢粉末，所述鋁合金粉末采用6061鋁合金粉末。

本實施例的鋁基硼化鎢復合材料的制備方法如下：

（1）原料粉末配制步驟：將粒度為10μm硼化鎢粉310g、粒度為25μm的鋁合金粉末690g混合均勻，混合時間為15小時得到1000g混合粉末；

（2）熱等靜壓成形步驟：將所述混合粉料裝入包套、真空抽氣溫度為300℃、密封、熱等靜壓處理，壓制壓力為130mpa，溫度為500℃，保溫時間為3小時，得到熱等靜壓坯料；

（3）機加工步驟：將所述熱等靜壓坯料去除包套，根據成品圖紙要求加工即可，得到加工坯料；

（4）表面處理步驟：將所述加工坯料采用玻璃珠噴丸進行表面處理。

本實施例制備的鋁基硼化鎢復合材料相對密度為100%，室溫抗拉強度為330mpa、屈服強度為240mpa、延伸率為8%。并且，經過輻射實驗，本實施例的x、γ射線及中子屏蔽復合材料既能屏蔽x、γ射線，也能屏蔽中子。

實施例4

該實施例提供的鋁基硼化鎢復合材料質量百分比為：硼化鎢粉末：15%，鋁合金粉末：85%。所述硼化鎢粉末為硼化二鎢粉末，所述鋁合金粉末采用6061鋁合金粉末。

本實施例的鋁基硼化鎢復合材料的制備方法如下：

（1）原料粉末配制步驟：將粒度為15μm硼化鎢粉150g、粒度為50μm的鋁合金粉末850g混合均勻，混合時間為20小時得到1000g混合粉末；

（2）熱等靜壓成形步驟：將所述混合粉料裝入包套、真空抽氣溫度為450℃、密封、熱等靜壓處理，壓制壓力為110mpa，溫度為550℃，保溫時間為2小時，得到熱等靜壓坯料；

（3）機加工步驟：將所述熱等靜壓坯料去除包套，根據成品圖紙要求加工即可，得到加工坯料；

（4）表面處理步驟：將所述加工坯料采用玻璃珠噴丸進行表面處理。

本實施例制備的鋁基硼化鎢復合材料相對密度為100%，室溫抗拉強度為310mpa、屈服強度為205mpa、延伸率為6.5%。并且，經過輻射實驗，本實施例的x、γ射線及中子屏蔽復合材料既能屏蔽x、γ射線，也能屏蔽中子。

實施例5

本實施例提供的鋁基硼化鎢復合材料質量百分比為：硼化鎢粉末：25%，鋁合金粉末：75%。所述硼化鎢粉末為硼化二鎢粉末，所述鋁合金粉末采用6061鋁合金粉末。

本實施例的鋁基硼化鎢復合材料的制備方法如下：

（1）原料粉末配制步驟：將粒度為3μm硼化鎢粉250g、粒度70μm的鋁合金粉末750g混合均勻，混合時間為24小時得到1000g混合粉末；

（2）熱等靜壓成形步驟：將所述混合粉料裝入包套、真空抽氣溫度為360℃、密封、熱等靜壓處理，壓制壓力為115mpa，溫度為430℃，保溫時間為2小時，得到熱等靜壓坯料；

（3）機加工步驟：將所述熱等靜壓坯料去除包套，根據成品圖紙要求加工即可，得到加工坯料；

（4）表面處理步驟：將所述加工坯料采用玻璃珠噴丸進行表面處理。

本實施例制備的鋁基硼化鎢復合材料相對密度為99.9%，室溫抗拉強度為325mpa、屈服強度為210mpa、延伸率為6%。并且，經過輻射實驗，本實施例的x、γ射線及中子屏蔽復合材料既能屏蔽x、γ射線，也能屏蔽中子。

實施例6

本實施例提供的鋁基硼化鎢復合材料質量百分比為：硼化鎢粉末：10%，鋁合金粉末：90%。所述硼化鎢粉末為硼化二鎢粉末，所述鋁合金粉末采用6061鋁合金粉末。

本實施例的鋁基硼化鎢復合材料的制備方法如下：

（1）原料粉末配制步驟：將粒度為18μm硼化鎢粉100g、粒度為60μm的鋁合金粉末900g混合均勻，混合時間為22小時得到1000g混合粉末；

（2）熱等靜壓成形步驟：將所述混合粉料裝入包套、真空抽氣溫度為450℃、密封、熱等靜壓處理，壓制壓力為110mpa，溫度為450℃，保溫時間為2小時，得到熱等靜壓坯料；

（3）機加工步驟：將所述熱等靜壓坯料去除包套，根據成品圖紙要求加工即可，得到加工坯料；

（4）表面處理步驟：將所述加工坯料采用玻璃珠噴丸進行表面處理。

本實施例制備的鋁基硼化鎢復合材料相對密度為100%，室溫抗拉強度為335mpa、屈服強度為225mpa、延伸率為7%。并且，經過輻射實驗，本實施例的x、γ射線及中子屏蔽復合材料既能屏蔽x、γ射線，也能屏蔽中子。

實施例7

本實施例提供的鋁基硼化鎢復合材料質量百分比為：硼化鎢粉末：50%，鋁合金粉末：50%。所述硼化鎢粉末為硼化二鎢粉末，所述鋁合金粉末采用1100鋁粉。

本實施例的鋁基硼化鎢復合材料的制備方法如下：

（1）原料粉末配制步驟：將粒度為18μm硼化鎢粉100g、粒度為60μm的鋁合金粉末900g混合均勻，混合時間為22小時得到1000g混合粉末；

（2）熱等靜壓成形步驟：將所述混合粉料裝入包套、真空抽氣溫度為450℃、密封、熱等靜壓處理，壓制壓力為110mpa，溫度為450℃，保溫時間為2小時，得到熱等靜壓坯料；

（3）機加工步驟：將所述熱等靜壓坯料去除包套，根據成品圖紙要求加工即可，得到加工坯料；

（4）表面處理步驟：將所述加工坯料采用玻璃珠噴丸進行表面處理。

本實施例制備的鋁基硼化鎢復合材料相對密度為99.5%，室溫抗拉強度為330mpa、屈服強度為225mpa、延伸率為5%。并且，經過輻射實驗，本實施例的x、γ射線及中子屏蔽復合材料既能屏蔽x、γ射線，也能屏蔽中子。

實施例8：

本實施例與實施例3的不同之處僅在于：鋁基硼化鎢復合材料質量百分比為：硼化鎢粉末：5%，鋁合金粉末：95%。

其余與實施例3相同。

本實施例制備的鋁基硼化鎢復合材料相對密度為100%，室溫抗拉強度為325mpa、屈服強度為235mpa、延伸率為7%。并且，經過輻射實驗，本實施例的x、γ射線及中子屏蔽復合材料既能屏蔽x、γ射線，也能屏蔽中子。

實施例9：

本實施例與實施例3的不同之處僅在于：鋁基硼化鎢復合材料質量百分比為：硼化鎢粉末：50%，鋁合金粉末：50%。

其余與實施例3相同。

本實施例制備的鋁基硼化鎢復合材料相對密度為99.8%，室溫抗拉強度為320mpa、屈服強度為230mpa、延伸率為7%。并且，經過輻射實驗，本實施例的x、γ射線及中子屏蔽復合材料既能屏蔽x、γ射線，也能屏蔽中子。