屏蔽材料組元分散均勻性研究

牛昊軒，馬書旺，譚 波，何 震，鮮希睿

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213）

高含鎢鋁基屏蔽材料是以高純鋁為基體，鎢和碳化硼為屏蔽組元的高性能復(fù)合屏蔽材料，能夠同時(shí)屏蔽γ射線、熱中子和快中子。

1 優(yōu)化粉末粒度配比

研究采用的粉末粒度為：Al粉的平均粒徑分別為7μm和40μm；W粉的平均粒徑分別為5μm、10μm和12μm；B4C粉的平均粒徑為3μm和7μm。微觀形貌如圖1所示。

通過觀察材料致密化成型后的顯微形貌來評(píng)價(jià)不同粉末粒度配比的材料中屏蔽組元的微觀分散均勻性，如圖：2所示為鋁基復(fù)合屏蔽材料的微觀分散形貌：

從SEM顯微形貌可以看出，基體粉末粒度對(duì)材料組織形貌具有明顯的影響，當(dāng)鋁粉的平均粒徑為40μm時(shí)，由于單個(gè)鋁顆粒粒度較大，導(dǎo)致局部區(qū)域屏蔽組元出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象；當(dāng)鋁粉末為7μm的細(xì)粒徑，W粉末和B4C粉末的粒徑較大時(shí)，屏蔽組元的分散比較均勻。因此，采用較小粒徑的基體鋁粉末和適當(dāng)粗粒徑的屏蔽組元粉末有助于降低屏蔽組元的團(tuán)聚現(xiàn)象，改善屏蔽組元的分散均勻性。

2 優(yōu)化粉末混合分散工藝

原料粉末如鎢粉等本身存在較嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，需要通過增加球料比和混料時(shí)間等來消除鎢粉等原料粉末本身的團(tuán)聚現(xiàn)象。但是，由于高純鋁粉較軟，混料過程中極易發(fā)生鋁粉粘球現(xiàn)象，球料比和球徑越大，粘球現(xiàn)象越嚴(yán)重。粘球后會(huì)造成球的流動(dòng)性變差，嚴(yán)重影響混料的均勻性。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過分組預(yù)混加以不同球料比的方式可以有效改善團(tuán)聚現(xiàn)象，本文采取這一方法（簡(jiǎn)稱“三步法”）混料，對(duì)比傳統(tǒng)的一次性混料工藝，團(tuán)聚現(xiàn)象明顯改善。圖3為一次性混料造成的鎢的團(tuán)聚（SEM），圖4、圖5分別為“三步法”制備的材料的X射線透射底片和SEM組織形貌。

從X射線透射底片可以看出，材料內(nèi)部無明顯的明暗區(qū)域及條紋，材料內(nèi)部宏觀分散性良好；從SEM顯微組織可以看出，屏蔽組分沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，材料內(nèi)部微觀分散性良好。

3 防止粉末沉降

本文選用的原材料包括鋁粉、鎢粉和碳化硼粉，原料粉末比重差異大，密度跨度從2.5g/cm3到19.3g/cm3，比重較大的鎢粉在劇烈振動(dòng)和長(zhǎng)期轉(zhuǎn)運(yùn)過程中容易產(chǎn)生沉降，導(dǎo)致屏蔽組元的分散不均勻。前期實(shí)驗(yàn)通過粉末散裝成型和經(jīng)冷等靜壓后再成型觀察到了這一現(xiàn)象，如圖6所示。

從X射線透射底片可以看出，與散裝成型相比，采用冷等靜壓后再致密化成型，材料組織分散均勻性有較大改善。

從力學(xué)性能數(shù)據(jù)的分散性也可以反映出屏蔽組元在材料中的分散均勻性。表1反映了冷等靜壓對(duì)材料沖擊韌性數(shù)值分散性的影響。

表1 沖擊韌性數(shù)值的分散性

從表中沖擊韌性數(shù)值可以看出，與散裝成型相比，經(jīng)歷冷等靜壓成型后，致密化成型材料的沖擊韌性數(shù)據(jù)的分散性有較大改善。

粉末沉降現(xiàn)象在大尺寸坯錠的制備過程中將會(huì)帶來更大的影響。根據(jù)分析，粉末沉降現(xiàn)象主要發(fā)生在大批量混合粉末的收集、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝料和振實(shí)等制備環(huán)節(jié)中。通過保持混合粉末的均勻分布狀態(tài)并使之在冷等靜壓成型過程中固化，可以最終獲得屏蔽組元分散均勻的大尺寸坯錠。

4 結(jié)論

對(duì)于本文研究的高含鎢鋁基屏蔽材料采用以下措施能夠有效提高各屏蔽組元的分散均勻性：

（1）采用細(xì)粒徑的鋁粉（7μm）和粒徑較大的W粉末和B4C粉末；

（2）以“三步法”替代傳統(tǒng)的一次性混料；

（3）對(duì)混合粉末進(jìn)行真空封裝。混合粉末經(jīng)真空封裝后可以保持整體形狀，防止粉末間的相互流動(dòng)，避免混合均勻的粉末在長(zhǎng)期的儲(chǔ)存靜置、轉(zhuǎn)運(yùn)等環(huán)節(jié)遭到破壞；

（4）改進(jìn)大尺寸坯錠冷等靜壓裝料方式。由于大尺寸樣件的高度尺寸達(dá)到1000mm，冷等靜壓裝料的高度可達(dá)1500mm左右，高度方向落差大，更易導(dǎo)致粉末的沉降。此外，壓制單個(gè)大尺寸坯錠需要分批裝料（單個(gè)坯錠投料約600kg）。在分批裝料的過程中，采用人工搗實(shí)會(huì)破壞混合粉末的原始分布狀態(tài)。在實(shí)施過程中，采用批量裝料方式，通過粉末壓實(shí)和振實(shí)的方式提高裝料密度改善裝料的均勻性。