高强度铅合金及其制备方法技术

高强度铅合金及其制备方法。本发明专利技术属于核能开发中所用的一种核屏蔽复合材料及其制备技术。本发明专利技术是先将第二组元金属熔化，再加入金属铅，在搅拌下进行原位反应，使金属铅与第二组元金属生成以金属键与共价键的混合键结合的金属间化合物。利用铅与第二组元反应生成的金属间化合物作为合金的基体，利用金属间化合物优良的高强度特性，以实现铅合金的强度大幅度提高。采用本技术制备的超高强度铅合金在保持对γ射线、Ｘ射线良好屏蔽特性的同时具有足够的力学承载能力，使该材料兼有屏蔽功能／结构一体化的特点，有望进一步提高核屏蔽材料的综合性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及本专利技术属于核屏蔽设施所用的屏蔽铅合金材料及其制备方法， 特别是强度高、质量轻的屏蔽材料制备方法。
技术介绍
随着科学技术的进步，核能应用领域日趋扩大，对屏蔽材料的要求也愈来愈高，如抗多种射线的综合式屏蔽材料；具有质量轻、强度高、体积小、可组 合焊接的结构型多功能屏蔽材料。但是，在现有的屏蔽材料中，混凝土重量重，可移动性差，且成分复杂。铅对Y射线的吸收和散射最为强烈，能屏蔽掉一次和二次y射线，铅也不 会成为第二次放射源。同时，铅具有高的耐蚀性，能抵抗空气的氧化和酸的腐蚀，熔点低(327.4°C)，在高温(26(TC以上)下发生蠕变，熔化浇注容易。但 铅的理论再结晶温度低于常温，铅在常温下发生变形的同时亦产生回复与再结 晶。传统的强化技术如固溶强化、加工应变强化对铅及其合金不适用，不可能 使其达到普碳钢的强度。铅硼聚乙烯虽然具有一定的屏蔽中子与射线的综合效果。但聚乙烯属于高 分子物质，熔点仅为13(TC,因而导致该复合材料的力学强度和耐热性都很差， 其抗拉强度通常只有10MPa左右，布氏硬度也仅为3 4HBS，严重制约了其应 用；硼钢是中子的吸收材料，但硼的添加对合金的延展性与冲击抗力有着不利 的影响；B4C/Pb复合材料是将Pb-Sb合金与B4C直接热压复合而成，虽可作为 吸收中子、遮挡Y射线的材料，但强度和塑性较低，其抗拉强度为48.2MPa， 布氏硬度为22.13HBS,难以制备出大尺寸的复合材料；B4C/A1复合材料可作为 热中子的吸收材料，但不能遮挡Y射线，影响其屏蔽效果，且存在B4C均匀化 以及它与铝基体的界面结合问题。因此，开发多功能、轻质、高强的抗辐射屏 蔽材料，提高屏蔽材料的力学性能和耐热性能，不仅是核工业领域的重要研究 方向，同时也是推动核工业发展，建立节能、清洁、高效的社会经济的标志。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种高强铅合金及其制备方法，使铅合 金的比强度更高、刚性更大、加工生产更便宜、制造成本更低。解决本专利技术的技术问题所釆用的技术方案是由金属铅与能与其进行原位 反应的第二组元金属反应所生成的金属间化合物组成，金属间化合物的化学键为金属键与共价键的混合键结合，且第二组元金属熔点高于铅。第二组元金属釆用Ba、 Ca、 Li、 Mg、 Pd、 Pt及Dy、 La、 Y、 Gd稀土元素，且第二组元金属 所占重量百分比为20% 40%，其余为铅金属。第二组元金属釆用Ba、 Ca、 Li、 Mg、 Pd、 Pt及Dy、 La、 Y、 Gd稀土元素中的一种或多种。在所述金属间化合 物中还添加了占总重5% 10°/。的Al或1% 5%的B元素。 本专利技术上述的高强度低熔点合金的制备工艺为先将第二组元金属熔化，再加入金属铅，在搅拌下进行原位反应，使金属 铅与第二组元金属生成以金属键与共价键的混合键结合的金属间化合物。所述的第二组元金属釆用Ba、 Ca、 Li、 Mg、 Pd、 Pt及Dy、 La、 Y、 Gd 稀土元素，且第二组元金属所占重量百分比为20% 40%,其余为铅金属，二 种金属搅拌的速度为60转/分 120转/分，搅拌时间1 min 2min。在上述进行原位反应的过程中，金属铅与第二组元金属在搅拌下原位反应 完成后，静置1.5min 2min,并釆用底部浇铸的方法进行浇铸。为了改善本高强度低熔点合金的塑性，在搅拌生成的金属间化合物中加入 了占总重5% 10%的Al或1% 5%的B元素，并对浇铸件进行热挤压处理。本专利技术的有益效果是通过第二组元的加入，釆用原位反应法，利用它与 金属铅间的互溶性以及生成的强键合的金属间化合物，获得分布均匀的合金组 织，提升了合金的强度和硬度。其抗拉强度和硬度指标大大高于传统的铅及其 合金，分别达到228MPa和156HB。实现铅合金屏蔽功能一力学结构一体化。、在提高屏蔽性能的同时实现屏蔽设施的简化和轻量化，对移动式核堆屏蔽系统 实现结构简约化、重量轻量化，组合多样化，并使之高可靠、高稳定、高安全 地运行极为重要；在提高舰艇机动性能方面，特别是潜艇等大型武器在战时的 强大打击力及和平时期的战略威慑力具有现实而重要的意义；对提升我国的国 防实力，改善周边国际环境，更好的支持国内经济建设，提高中国的国际影响力将产生深远地影响；对开发核能综合利用亦有重大经济价值；此外，对人类 和平利用核能，提高人们生活水平亦有着重要意义。性能优良、成本适中、工 艺成熟的屏蔽/结构一体化铅合金材料不仅在核电设施及核废料贮运等领域存在 较大应用前景，而且在医用辐射源防护、石油勘探等方面也可获广泛使用。附图说明图l、图2、图3为本专利技术高强度低熔点合金的微观组织扫描电镜图。 具体实施例方式实施例1:釆用原位反应法，在感应电炉中加入50%的铅、40。/。的Ba、 Ca、4Li、 Mg、 Pd、 Pt或Dy、 La、 Y、 Gd等第二组元金属和10%的Al,加入顺序为 先加入熔点较高的第二组元金属，待其熔化后，再加入低熔点的铅。搅拌1-2min，使镁与铅充分反应生成富铅的金属间化合物，静置2min，釆用底部浇铸 的方法进行浇铸，最终制备成超高强度铅合金材料。并制成测试试样以进行力 学性能和微观组织结构的测试分析。测试效果如下① 抗拉强度测试制备成测试试样棒在拉伸力学试验机上进行抗拉强度测 试，测试结果表明超高强度铅合金的抗拉强度达到228MPa，是传统铅及铅合 金的10~15倍以上。② 布氏硬度测试在HB-3000型布氏硬度计上测定的合金的布氏硬度， 测试结果表明超高强度铅合金的布氏硬度为156HB，是传统铅及铅合金的10 倍以上。③ 微观组织特征经过对试样表面处理(打磨—抛光—腐蚀)后，釆用扫 描电镜(型号为XL30ESEM-TMP)观察分析试样的微观组织特征，如图1所示。 测试表明合金组织分布均勻，且各组成相之间的界面结合状况良好。实施例2:采用原位反应法，在感应电炉中加入55%的铅、40。/。的Ba、 Ca、 Li、 Mg、 Pd、 Pt或Dy、 La、 Y、 Gd等第二组元金属和5 %的Al，加入顺序为 先加入熔点较高的第二组元金属，待其熔化后，再加入低熔点的铅。搅拌1-2min，使镁与铅充分反应生成富铅的金属间化合物，静置2min,釆用底部浇铸 的方法进行浇铸，最终制备成超高强度铅合金材料。并制成测试试样以进行力 学性能和微观组织结构的测试分析。测试效果如下① 抗拉强度测试制备成测试试样棒在拉伸力学试验机上进行抗拉强度测 试，测试结果表明超高强度铅合金的抗拉强度达到154MPa,是传统铅及铅合 金的7倍以上。② 布氏硬度测试在HB-3000型布氏硬度计上测定的合金的布氏硬度， 测试结果表明超高强度铅合金的布氏硬度为117HB,是传统铅及铅合金的8 倍左右。③ 微观组织特征经过对试样表面处理(打磨—抛光—腐蚀)后，采用扫 描电镜(型号为XL30ESEM-TMP)观察分析试样的微观组织特征，如图2所示。 测试表明合金组织分布均匀，且各组成相之间的界面结合状况良好。实施例3:釆用原位反应法，在感应电炉中加入60%的铅、40。/。的Ba、 Ca、 Li、 Mg、 Pd、 Pt或Dy、 La、 Y、 Gd等第二组元金属，加入顺序为先加入熔 点较高的第二组元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度铅合金，其特征是：由金属铅与能与其进行原位反应的第二组元金属反应所生成的金属间化合物组成，金属间化合物的化学键为金属键与共价键的混合键结合，且第二组元金属熔点高于铅。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙勇，段永华，竺培显，
申请(专利权)人：昆明理工大学，昆明理工峰潮科技有限公司，
类型：发明
国别省市：53[中国|云南]