[发明专利]屏蔽材料用高强耐高温Pb-Li-Hf铅锂合金

说明书

本发明公开了屏蔽材料用高强耐高温Pb‑Li‑Hf铅锂合金及其加工工艺。按照重量百分比，该合金的成分为：Li:0.8‑2.0wt.%,Hf:1.2‑1.6wt.%,Te:0.4‑0.8wt.%,Co:1.2‑1.6wt.%，Cu:0.2‑0.5wt.%,Pr:0.1‑0.2wt.%,余量为铅。该铅锂合金具有传统屏蔽材料用铅合金不具备的高强度和耐高温性能。可有效地用于核堆、医用放射源屏蔽、核废料处理等领域。生产工艺简单,对设备要求低,便于大规模的产业化应用。

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铅锂合金。

背景技术

核能利用是国防力量和国民经济水平的重要标志，显示了一个国家的综合实力。在能源日趋匾乏的二十一世纪，核电将成为最主要的清洁、高效、可靠的能源。当反应堆运行时，核裂变反应将产生大量中子和γ射线，裂变产物衰变也释放出α、β粒子和γ射线。α和β粒子射程很短，很容易被空气或其他物体吸收，一般对操作人员不构成威胁。中子和γ射线有极强穿透能力。为了阻挡它们要求在反应堆四周设置保护屏蔽层保护人员和设备免受放射线伤害。屏蔽快中子需选用轻元素组成的材料，屏蔽γ射线则需选用重元素组成的材料，因此堆外屏蔽层往往采用兼含轻重元素的联合结构。

核能利用显示一个国家综合实力，是国防力量和国民经济水平的重要标志，因此和平开发核能为各国所广泛重视。目前，由于对核辐射剂量的控制越发严格，使得屏蔽材料市场竞争日趋激烈，日益受到该领域高度重视。各国均投入大量的人力和物力对辐射屏蔽合金材料进行深入研究，发达国家特别是美国、日本、俄罗斯等国已经形成规模化的屏蔽材料产业，能生产多类别和系列的规格化产品。由于重金属铅的卓越吸收能力，以其为基体的屏蔽材料历来广受关注。但铅强度、抗剪切性等力学性能较低而使应用受限，因此开发兼具优良射线屏蔽性和强度性能的铅基材料十分重要。

人们不断追求合金性能和加工性能的最佳组合的来满足日益提升的要求。目前，在欧美、日本等发达国家已经通过几十年的努力对核反应堆合金材料进行了多方位的创新。我国目前的屏蔽材料用合金的产品还很单一,在有温度要求的工作环境中不能适用。开发具备特殊性能铅合金有两种方法，一种是加入合金元素通过固溶强化来强化基体，另一种是通过加入第二相强化相形成铅基复合材料。在铅合金中加入锂后，通过优化合金的成分和配比能使得铅合金的有良好的多重辐射屏蔽性能。随着我国工业的快速发展，开发新型高强耐腐蚀屏蔽材料用铅合金已成为必然。

铅锂合金具有很独特的性能：(1)性能优良、成本适中、工艺成熟。在核石油勘探等领域存在着较大应用前景。其强度和硬度指标远远超过传统的铅及其合金，接近普碳钢的强度和硬度，有良好的多重辐射屏蔽性能。(2)第二相由于稳定性高，不会因长期保持而导致合金软化，从而可使铅得到有效的强化，在较高温度下也能保持较高的强度性质。(3)拥有良好的延展性能，可以有效降低铅锂合金的加工难度满足作为结构工程材料使用的需要。

铅锂合金在熔炼过程中极易发生燃烧，甚至爆炸。这是因为锂的氧化物和氮化物的体积小于生成这些化合物所消耗的金属的体，因此其氧化物和氮化物不足以包覆金属表面。形成的氧化膜和氮化膜疏松多孔且很脆，氧可通过氧化膜和氮化膜的孔隙与合金熔体继续作用，释放出大量的热并导致铅锂熔体燃烧。因此，铅锂合金产业化的一个重要课题是如何阻止铅锂合金在大气环境下冶炼时的高温氧化燃烧。目前，常用的阻燃方法是熔剂保护法与气体保护法。这些方法存在铸件易产生熔剂夹杂、污染环境以及设备和工艺复杂等缺点。

通过合金化方法达到阻燃是解决铅锂合金燃烧问题的先进方法。合金化阻燃法其机理是在铅锂合金熔炼过程中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化和氮化的目的，并且铅锂合金在后续加工过程中的氧化燃烧的倾向大大降低，从而提高铅锂合金的加工安全性。但是，作为一种结构材料，只具有熔炼时的抗燃烧性能是远远不能满足要求的，更重要的是最终的铅锂合金产品还要同时拥有令人满意的力学强度，至少要能达到常用铅锂合金的力学性能水平。

发明内容