本发明属于有色金属材料的制备及其应用技术领域，具体涉及一种氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料的制备方法。
背景技术：
金属钨（w）有优良的γ射线吸收能力，是密度较大的天然金属单质之一。钨及其合金广泛应用于屏蔽材料中，钨合金是一种高比重钨基合金，价格低廉，具有高硬度、高熔点，含钨量不低于90%，同时混合了镍（ni）和碳（c）等元素，可以增强其硬度和结构的稳定性。因此，钨合金是未来最具潜力的γ射线屏蔽材料之一。
综上所述，将稀土氧化物和钨合金进行组合，设计出一种中子和γ射线共屏蔽材料，不仅可以吸收外部环境当中的中子和γ射线，也可以将稀土元素与中子相互作用所产生的二次γ射线进行有效吸收。钨合金是常用的轻质、高强合金，有较好的耐蚀性和优良的抗辐照性能，常被用于复合材料的基体材料。将稀土氧化物和钨合金添加到钨合金基体当中，制备一种新型的中子和γ射线共屏蔽复合材料，将是未来极具潜力的核屏蔽结构材料。
钆（gd）元素在适用的范围内是热中子吸收截面最高的元素，氧化钆成本较低，但钆（gd）元素在吸收热中子的同时会释放出二次γ射线；金属钨（w）是一种优良的吸收γ射线的材料。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种新型的中子和γ射线共屏蔽复合材料的制备方法，以钨合金粉、铝合金粉和氧化钆粉为原材料；经除气预处理，制作增强相，球磨混粉、压制、轧制，制成氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材。
本发明采用如下技术方案：
一种氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料的制备方法，包括如下步骤：
第一步，粉末核壳结构的制备
称取氧化钆粉、钨粉，置于球磨机内，进行球磨，球磨时间6h，球磨转数800r/min，得到钨/氧化钆核壳结构混合细粉；
第二步，制作开合式模具
采用不锈钢材料制作开合式模具，所述模具型腔为矩形腔体，尺寸为30mm×30mm×60mm，型腔表面粗糙度为：ra0.08-0.16um；
第三步，混粉球磨
称取铝合金粉、硅粉、硼酸、钨/氧化钆核壳结构混合细粉，置于石英容器中，搅拌成混合细粉a，将混合细粉a装入球磨机内，进行球磨，球磨转数400r/min，时间为120min，球磨得到混合细粉b；
第四步，装模
将开合式模具垂直置于钢制平板上，在开合式模具型腔底部放置石墨垫块，在石墨垫块上放置第一石墨纸，在第一石墨纸上放置混合细粉b，在混合细粉b上放置第二石墨纸，在第二石墨纸上放置石墨压块；
第五步，粉末冶金，烧结制坯
将装模的开合式模具垂直移入真空热压烧结炉内的工作台上，真空热压烧结炉的上压块及压力电机垂直压住开合式模具上的石墨压块，密闭；
开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强恒定在2pa；
开启真空热压烧结炉的等离子放电加热器，加热温度500±1℃；
开启压力电机，对开合式模具的型腔垂直施压，施压压强20mpa，恒温施压时间30min；继续加热至585℃±1℃，继续施压，施压压强40mpa，恒温施压时间30min；
加热施压结束后，停止加热、施压，开合式模具及其内的坯料随炉冷却至25℃；
关闭真空泵，开炉取出开合式模具；开模，取出坯料，即为氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽吸收坯料；
第六步，清理、打磨、清洗
将坯料置于钢质平板上，用砂纸打磨坯料，然后用无水乙醇进行清洗，清洗后晾干；
第七步，加热保温
将清理后的坯料置于热处理炉中，进行加热保温，加热温度500℃，并恒温；
第八步，轧制
将加热的坯料置于辊轧机的上轧辊和下轧辊之间，轧制方向由左向右轧制，上轧辊转动方向为逆时针转动，下轧辊转动方向为顺时针转动；
上轧辊和下轧辊转动速度为10r/min；轧制道次为六道次；轧制后成氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材；
第九步，清洗
将氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材用无水乙醇清洗，清洗后晾干。
第一步中所述氧化钆粉和钨粉的质量分别为7±0.01g和28±0.01g。
第三步中所述铝合金粉、硅粉、硼酸和钨/氧化钆核壳结构混合细粉的质量分别为100±0.01g、1.44±0.01g、0.72±0.01g和35±0.01g。
第二步中所述开合式模具呈矩形，开合式模具的四个顶角分别通过第一开合架、第二开合架、第三开合架和第四开合架组装固定。
第八步中所述辊轧机设有精轧辊，精轧辊的入口侧设有入口侧冷却单元，出口侧设有出口侧冷却单元，入口侧冷却单元的下部设有与精轧辊的表面接触的擦拭器装置，擦拭器装置的上部设有润滑单元，所述擦拭器装置包括冷却喷嘴和冷却管道。
本发明在氧化钆颗粒表面包覆一层金属钨制成gd2o3/w微核壳颗粒，包覆的钨（w）壳可以同时吸收入射的γ射线和二次γ射线。再将gd2o3/w核壳颗粒均匀添加到钨（al）基体当中制成gd2o3/w/al核壳结构复合材料(简称gwac材料)，从而达到中子与γ射线共同屏蔽的目的。同时，在钨界面原位形成的w14al86强化了界面连接，硬质核壳颗粒对复合材料形成了弥散强化。gwac核壳共屏蔽材料兼具了双重的功能性和优良的结构性，实现了结构/功能一体化的设计。
本发明的有益效果如下：
本发明与背景相比具有明显的先进性，是针对核电站乏燃料储存格架中子辐射屏蔽保护的需求，制备氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材，采用钨粉、氧化钆粉、铝合金粉混合，经粉末冶金制成坯料，再将坯料进行轧制，制成致密度高的氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材，中子吸收板为银白色，中子吸收率达96%，氧化钆分布均匀，颗粒与基体连接紧密，抗拉强度达300mpa，伸长率为4%，此制备方法工艺先进合理，参数准确翔实，是先进的制备氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材的方法。
附图说明
图1为氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料混合细粉装模状态图；
图2为氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材轧制设备结构示意图；
图3为本发明制备的氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料的微观组织形貌图；
图4为本发明制备的氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料的拉伸性能示意图；
其中：1-模具型腔；2-石墨压块；3-石墨垫块；4-第一开合架；5-第二开合架；6-第三开合架；7-第四开合架；8-开合式模具；9-氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料混合细粉；10-第一石墨纸；11-第二石墨纸；12-核壳结构；13-入口侧冷却单元；14-出口侧冷却单元；15-精轧辊；16-冷却喷嘴；17-擦拭器装置；18-润滑单元；19-冷却管道；20-坯料。
具体实施方式
本发明使用的化学物质为：钨合金粉、铝合金粉、氧化钆粉、硅粉、无水乙醇、硼酸、石墨纸，其准备用量如下：以克、毫升、毫米为计量单位。
钨合金粉：w，28g±0.01g；铝合金粉：6061al，100g±0.01g；氧化钆粉：gd2o3，7g±0.01g；硅粉：si，1.44g±0.01g；无水乙醇：c2h5oh1000ml±10ml；硼酸：b2o•3h2o，0.72g±0.01g；石墨纸：c，30mm×30mm×1mm，4片。
（1）对制备所需的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制。
钨粉：固态粉体，99.9%；铝合金粉：固态粉体，99.5%；硅粉：固态晶体99.5%，氧化钆粉：固态粉体，99.9%；无水乙醇：液态液体，99.7%；硼酸：固态晶体，99.5%；石墨纸：固态纸状，99.5%。
（2）粉末核壳结构的制备
称取氧化钆粉7g±0.01g、钨粉28g±0.01g，置于球磨机内，进行球磨，球磨时间6h，球磨转数800r/min，成钨/氧化钆核壳结构混合细粉；
（3）制作开合式模具
采用不锈钢材料制作开合式模具，所述模具型腔为矩形腔体，尺寸为30mm×30mm×60mm，型腔表面粗糙度为：ra0.08-0.16um；
（4）混粉球磨
称取铝合金粉100g±0.01g、硅粉1.44g±0.01g、硼酸0.72g±0.01g、钨/氧化钆核壳结构混合细粉35g±0.01g，置于石英容器中，搅拌成混合细粉；将混合细粉装入球磨机内，进行球磨，球磨转数400r/min，时间120min，成混合细粉；
（5）装模
将开合式模具垂直置于钢制平板上，在开合式模具型腔底部置放石墨垫块，在石墨垫块上部置放第一石墨纸，在第一石墨纸上部置放混合细粉，在混合细粉上部置放第二石墨纸，在第二石墨纸上部置放石墨压块；
（6）粉末冶金烧结制坯
①将装模的开合式模具垂直移入真空热压烧结炉内的工作台上；真空热压烧结炉的上压块及压力电机垂直压住开合式模具上的石墨压块，密闭；
②开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强恒定在2pa；
③开启真空热压烧结炉的等离子放电加热器，加热温度500℃±1℃；
开启压力电机，对开合式模具型腔垂直施压，施压压强20mpa，恒温施压时间30min；继续加热至585℃±1℃，继续施压，施压压强40mpa，恒温施压时间30min；
④停止加热、施压，开合式模具及其内的坯料随炉冷却至25℃；
⑤关闭真空泵，开炉取出开合式模具；开模，取出坯料，即为氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽吸收坯料；
（7）清理、打磨、清洗
将坯料置于钢质平板上，用砂纸打磨坯料各部；然后用无水乙醇进行清洗，清洗后晾干；
（8）加热保温
将坯料置于热处理炉中，进行加热保温，加热温度500℃，并恒温；
（9）轧制
将加热的坯料置于辊轧机的上轧辊和下轧辊之间，轧制方向由左向右轧制，上轧辊转动方向为逆时针转动，下轧辊转动方向为顺时针转动；
上轧辊和下轧辊转动速度为10r/min；
轧制道次为六道次；
轧制后成氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材；
（10）清洗
将氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材用无水乙醇清洗，清洗后晾干；
（11）检测、分析、表征
对氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材的色泽、形貌、金相组织、显微硬度、中子吸收率进行检测、分析、表征；
用中子注量率仪进行中子吸收率检测分析；
用电子显微镜和扫描电镜进行金相组织、微观组织形貌分析；
用显微硬度仪进行显微硬度分析；
用万能试验机进行抗弯、抗拉强度分析；
（12）储存
对制备的氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材用软质材料包装，储存于干燥、洁净环境，要防水、防潮、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度10%。
如图1所示，为氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料混合细粉装模状态图，开合式模具8呈矩形，由第一开合架4、第二开合架5、第三开合架6、第四开合架7组装固定，开合式模具8内部为模具型腔1，在模具型腔1内底部置放石墨垫块3，在石墨垫块3上部为第一石墨纸10，在第一石墨纸10上部为氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料混合细粉9，在氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料混合细粉9上部为第二石墨纸11，在第二石墨纸11上部为石墨压块2。
如图2所示，氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材轧制设备，各部位置、连接关系要正确、按序轧制。
精轧辊15的入口侧设有入口侧冷却单元13而能够向精轧辊15供给冷却水，精轧辊15的出口侧设有出口侧冷却单元14而能够向精轧辊15供给冷却水。其中，设置在入口侧冷却单元13下部的擦拭器装置17接触精轧辊15的表面。擦拭器装置17的上部可以设有供给轧制油及空气的润滑单元18。并且，所述擦拭器装置17包括：冷却喷嘴16，冷却管道19在不同的位置供给冷却流体到所述材料。
如图3所示，氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料的微观组织形貌图，图中所示：可以看到氧化钆/钨核壳颗粒在铝基体上成网状均匀交替分布。
如图4所示，氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料的拉伸性能示意图，图中所示：抗拉强度达300mpa，伸长率为4%，表明所制备的氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料具有良好的力学性能。
1.一种氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，粉末核壳结构的制备
称取氧化钆粉、钨粉，置于球磨机内，进行球磨，球磨时间6h，球磨转数800r/min，得到钨/氧化钆核壳结构混合细粉；
第二步，制作开合式模具
采用不锈钢材料制作开合式模具，所述模具型腔为矩形腔体，尺寸为30mm×30mm×60mm，型腔表面粗糙度为：ra0.08-0.16um；
第三步，混粉球磨
称取铝合金粉、硅粉、硼酸、钨/氧化钆核壳结构混合细粉，置于石英容器中，搅拌成混合细粉a，将混合细粉a装入球磨机内，进行球磨，球磨转数400r/min，时间为120min，球磨得到混合细粉b；
第四步，装模
将开合式模具垂直置于钢制平板上，在开合式模具型腔底部放置石墨垫块，在石墨垫块上放置第一石墨纸，在第一石墨纸上放置混合细粉b，在混合细粉b上放置第二石墨纸，在第二石墨纸上放置石墨压块；
第五步，粉末冶金，烧结制坯
将装模的开合式模具垂直移入真空热压烧结炉内的工作台上，真空热压烧结炉的上压块及压力电机垂直压住开合式模具上的石墨压块，密闭；
开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强恒定在2pa；
开启真空热压烧结炉的等离子放电加热器，加热温度500±1℃；
开启压力电机，对开合式模具的型腔垂直施压，施压压强20mpa，恒温施压时间30min；继续加热至585℃±1℃，继续施压，施压压强40mpa，恒温施压时间30min；
加热施压结束后，停止加热、施压，开合式模具及其内的坯料随炉冷却至25℃；
关闭真空泵，开炉取出开合式模具；开模，取出坯料，即为氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽吸收坯料；
第六步，清理、打磨、清洗
将坯料置于钢质平板上，用砂纸打磨坯料，然后用无水乙醇进行清洗，清洗后晾干；
第七步，加热保温
将清理后的坯料置于热处理炉中，进行加热保温，加热温度500℃，并恒温；
第八步，轧制
将加热的坯料置于辊轧机的上轧辊和下轧辊之间，轧制方向由左向右轧制，上轧辊转动方向为逆时针转动，下轧辊转动方向为顺时针转动；
上轧辊和下轧辊转动速度为10r/min；轧制道次为六道次；轧制后成氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材；
第九步，清洗
将氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽板材用无水乙醇清洗，清洗后晾干。
2.根据权利要求1所述的一种氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料的制备方法，其特征在于：第一步中所述氧化钆粉和钨粉的质量分别为7±0.01g和28±0.01g。
3.根据权利要求1所述的一种氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料的制备方法，其特征在于：第三步中所述铝合金粉、硅粉、硼酸和钨/氧化钆核壳结构混合细粉的质量分别为100±0.01g、1.44±0.01g、0.72±0.01g和35±0.01g。
4.根据权利要求1所述的一种氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料的制备方法，其特征在于：第二步中所述开合式模具呈矩形，开合式模具的四个顶角分别通过第一开合架、第二开合架、第三开合架和第四开合架组装固定。
5.根据权利要求1所述的一种氧化钆/钨/铝中子和伽马射线核壳共屏蔽材料的制备方法，其特征在于：第八步中所述辊轧机设有精轧辊，精轧辊的入口侧设有入口侧冷却单元，出口侧设有出口侧冷却单元，入口侧冷却单元的下部设有与精轧辊的表面接触的擦拭器装置，擦拭器装置的上部设有润滑单元，所述擦拭器装置包括冷却喷嘴和冷却管道。
技术总结