一种高屏蔽性能的钨钛高硼不锈钢及其制备方法

本发明涉及核辐射屏蔽材料领域，具体涉及一种高屏蔽性能的钨钛高硼不锈钢及其制备方法。

背景技术：

1、随着近些年可控核聚变技术配套技术如超导技术的发展，可控核聚变的发展走上快车道。需要高性能的屏蔽材料屏蔽氘氚聚变反应产生的中子和伽马射线，以免能量沉积到超导磁体导致超导磁体的损伤和失超，同时避免辐射对人员和环境造成不良的影响。高硼钢因为具有良好的中子慢化和吸收能力，且在裂变堆有成熟的制备工艺和运用场景，目前是核聚变屏蔽材料的首选材料之一。

2、高硼钢中10b和热中子发生（n，α）反应的反应截面积大，是热中子屏蔽和吸收的主要元素。但是含硼量1wt.%以上的高硼钢十分脆，其主要原因是硼元素在各个温度下的α铁和γ铁中的溶解度都很低，易析出并和铁反应生成脆性的铁硼化物，这直接导致其力学性能不佳，不易锻造轧制，成型和加工。并且高硼钢的伽马射线屏蔽性能不如原子序数更大的钨基合金，即在聚变堆条件下，其综合屏蔽性能一般。这限制了高硼钢的应用。

3、目前，规模化应用的高硼钢是iter组织所采用的屏蔽材料304b4以及304b7。demo堆以及后续聚变装置小型化的发展，对包括屏蔽性能在内的屏蔽材料综合性能提出越来越高的要求。同时屏蔽材料的制造成本也成为一个重要考虑因素。粉末冶金的方法由于其工艺流程而价格较高，较低成本的熔炼法则由于高硼含量材料的脆性，生产难度高。这促使人们寻求新型屏蔽材料。这种材料不仅需在保持高硼钢屏蔽性能的同时提升力学性能，还要满足聚变堆对中子和伽马射线综合屏蔽能力和经济性的全方位要求。本发明通过加入钨和钛实现屏蔽性能和力学性能兼顾，并且可以通过熔炼的方法实现经济性。

4、本材料也可用于其他需要屏蔽中子和伽马射线的领域，如裂变堆、核动力装置以及核废料贮存格架等。

技术实现思路

1、为满足聚变反应堆对中子和伽马射线核辐射的屏蔽要求，以及材料的可加工性和经济性，本发明提供了一种高性能钨钛高硼不锈钢屏蔽材料及其制备方法。该材料通过加入比例合适的钛、钨元素，提升材料的力学性能，调节材料密度，增强材料的综合屏蔽性能。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种高屏蔽性能的钨钛高硼不锈钢，以所述钨钛高硼不锈钢的总重量计，所述的组分重量百分比为：cr 10-20%，ni 8-18.5%，b 0.8-3%，w 10%-29%，ti 1-3.5%，余量为fe和不可避免的杂质，基体为奥氏体。

4、进一步地，以所述钨钛高硼不锈钢的总重量计， cr重量百分比为10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%或20%；ni重量百分比为 8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%或18.5%；b 重量百分比为 0.8%、1%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%、2%、2.2%、2.4%、2.6%、2.8%或3%；w 重量百分比为 10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%或29%；ti 重量百分比为1%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%、2%、2.2%、2.4%、2.6%、2.8%、3%、3.2%、3.4%或3.5%。

5、进一步地，w、ti、fe和b元素均形成颗粒状的单一相，保证了材料的力学性能和加工性能。

6、进一步地，硼可用于屏蔽吸收热中子，同时钨对伽马射线有很好的屏蔽性能，能够实现有效对中子和伽马射线的综合屏蔽。

7、如上任一所述的钨钛高硼不锈钢的制备方法，包含以下步骤：将合金原料经熔炼、精炼、浇铸、锻造、轧制后得到块体屏蔽材料。

8、进一步地，所述高屏蔽性能的钨钛高硼不锈钢的制备方法，具体包括以下步骤：

9、a.熔炼：在惰性气氛的保护下，将铬铁、钨铁、镍铁、钛铁以及纯铁原料混合，进行熔炼，得到合金液；

10、b.精炼：在惰性气氛的保护下，将硼铁粉加入到合金液中，进行精炼；

11、c.浇铸：将精炼后的合金液进行浇铸处理后冷却，得到合金铸件；

12、d.锻造：将上述c所得的合金铸件加热至合金锻造的温度，将加热之后得到的合金进行锻造，得到合金；

13、e.轧制：将锻造冷却后的合金进行轧制，得到工程应用规格的钨钛高硼不锈钢。

14、优选的，所述步骤a中的熔炼温度为1560～1680℃，例如熔炼温度为1560℃、1580℃、1600℃、1620℃、1640℃、1660℃或1680℃；所述步骤b中精炼的时间为2-10min，所述步骤c中浇铸处理的温度为1520～1650℃；例如浇铸处理的温度为1520℃、1540℃、1560℃、1580℃、1600℃、1620℃、1640℃或1650℃。

15、本发明带来的有益效果如下：

16、本发明从增强屏蔽效果和采用成熟经济的制备工艺的理念出发，采用熔炼的工艺方式加入新的元素来提升材料中元素的分布均匀性，材料的致密度和力学性能，同时实现中子和伽马射线的有效屏蔽。本材料不仅是聚变堆核辐射的首选屏蔽材料，也可用于其他需要屏蔽中子和伽马射线的领域，如裂变堆、核动力装置以及核废料贮存格架等。在一般的铁基含硼材料中，铁硼化物几乎没有变形的能力，且用熔炼法制备铁基含硼材料时，铁硼化物更倾向于在铁基体的相界面析出形成网状结构，这将导致材料的断裂强度和韧性的大幅度下降。本发明在配料时控制硼、钛、钨元素的比例使得w、ti、fe和b元素均形成颗粒状的单一相，保证了材料的力学性能。通过调节材料中ti-w的比例实现材料密度的调节，使得本发明适用于对材料密度和块体整体重量有要求的场合。最后采用目前成熟经济的熔炼法制备材料，使得材料具有规模化生产和应用的可能性。综上所述。本发明制备的高硼不锈钢的致密度大于99%，材料中的硼密度0.08-0.3g/cm3，材料轧制之后各项关键性能优于目前iter的304b4和304b7。

技术特征：

1.一种高屏蔽性能的钨钛高硼不锈钢，其特征在于：以所述钨钛高硼不锈钢的总重量计，组分重量百分比为：cr 10-20%，ni 8-18.5%，b 0.8-3%，w 10%-29%，ti 1-3.5%，余量为fe和不可避免的杂质，基体为奥氏体。

2.根据权利要求1所述的高硼不锈钢钢，其特征在于， w、ti、fe和b元素均形成颗粒状的单一相，保证了材料的力学性能和加工性能。

3.权利要求1或者2所述的钨钛高硼不锈钢的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：将合金原料经熔炼、精炼、浇铸、锻造、轧制后得到块体屏蔽材料。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤a中的熔炼温度为1560～1680℃；所述步骤b中精炼的时间为2-10min，精炼温度为1560~1680℃；所述步骤c中浇铸处理的温度为1520～1650℃。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：获得的材料致密度大于99%，材料组织中的b与w、fe和ti形成颗粒状的硼化物；且硼化物均匀的弥散在奥氏体基体中。

技术总结本发明公开一种高屏蔽性能的钨钛高硼不锈钢及其制备方法，钨钛高硼不锈钢的主要组分重量百分比为：Cr 10‑20%，Ni 8‑18.5%，B 0.8‑3%，W 10%‑29%，Ti 1‑3.5%，余量为Fe和不可避免的杂质，基体为奥氏体。按本发明所述合金的组分配料，在气氛的保护下，将合金原料经熔炼、浇铸、锻造、轧制最终得到一定尺寸的具有良好力学特性，密度可调节，高致密度，B与W、Fe和Ti形成颗粒状的硼化物分布均匀，兼具屏蔽性能和力学性能的含硼钨钛的块状高硼不锈钢。本发明的高性能高硼不锈钢屏蔽材料可以通过熔炼制备，具有良好的经济性，为DEMO堆，紧凑型聚变堆以及其他屏蔽领域的开发提供支持。技术研发人员：戚强,周海山,罗广南受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/11