【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料及其制备方法，特别是兼具优良力学性能和高效中子与γ屏蔽、低活化、抗辐照等结构与多功能一体化特点，可用于核聚变堆、核裂变堆、微小型核反应堆等先进核能系统关键核心部件及其他涉核装置(如：小型中子源、加速器、医用放疗设备等)的结构与屏蔽材料。
技术介绍
1、中子和伽马(γ)辐射是核反应堆辐射的最主要组成部分，对生物体有致癌、致染色体畸变等效应；同时，高能中子辐射可引起核部件结构材料的辐照缺陷、肿胀，甚至引发脆性断裂，对核能系统关键部件运行造成重大安全隐患。因此，中子与γ射线屏蔽是核安全的核心问题之一。新一代先进核裂变反应堆以及核聚变反应堆的中子与γ射线能量更高，辐射更为严重，传统的屏蔽材料已难以满足应用需求。
2、提高结构材料的中子与γ射线屏蔽效果，采用结构与屏蔽等多功能一体化设计，有望实现屏蔽轻量化并降低系统复杂度。铁素体/马氏体组织具有较好的综合韧性和淬硬性，使得铁素体/马氏体钢具有优良的热机械性能、抗辐照肿胀性能；同时，具有成分低活化高纯净设计的铁素体/马氏体钢在高能中子辐照环境下服役后的退役处置方面具有显著优势，可极大缩短材料退役处置的冷却时间，甚至短时间内即可达到人工可操作处置的辐射剂量水平，已被选为聚变堆包层的主要结构材料，也是先进裂变堆关键核心部件的主要候选结构材料。gd是自然界中子吸收截面最大的元素(如157gd中子吸收截面达139000b，较10b高出1个量级)，同时基体材料合金元素w具有优良γ射线屏蔽功能，将gd和w应用于成分低活化设计的铁
3、目前，同时具有优良室温及高温力学性能且兼具有低活化、抗辐照、高效中子和γ屏蔽等多功能集成的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料尚未见报道。
技术实现思路
1、本专利技术需要解决的技术问题：提供一种低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料及其制备方法，以解决先进核能系统对新型高性能中子与γ屏蔽材料的需求问题。本专利技术设计了具有低活化成分与抗辐照铁素体/马氏体组织的结构与多功能一体化中子和γ屏蔽材料，并提出了适当的材料制备方法，通过优选hip工艺进行材料的高性能制备，材料具有耐高温、高效中子和γ屏蔽、低活化以及抗辐照等优良的综合服役性能。
2、本专利技术的技术解决方案如下：一种低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料及其制备方法，实现步骤如下：
3、(1)基体材料的低活化成分与抗辐照组织设计。设计具有高纯净的低活化成分与抗辐照铁素体/马氏体组织的基体材料，其化学成分组成(质量百分比，wt％)为：c:0.08～0.16％，cr:7.50～12.00％，w:1.00～2.20％，v:0.15～0.40％，ta:0.01～0.20％，mn:0.05～0.75％，si≤0.40％，ti≤0.02％，al≤0.03％，ni≤0.03％，cu≤0.05％，n≤0.07％，o≤0.01％，p≤0.02％，s≤0.01％，b≤0.006％，nb≤0.01％，mo≤0.05％，co≤0.01％，ag≤0.05％，as≤0.005％，sn≤0.005％，sb≤0.005％，zr≤0.005％，余量为fe。
4、(2)材料的高效中子屏蔽性能优化设计。根据先进核能系统中子屏蔽需求，采用中子输运与仿真分析软件(例如supermc)进行材料的中子屏蔽性能优化设计，并结合机械合金化方法将具有高中子吸收截面的gd元素以纳米氧化物gd2o3的形式添加至基体材料中，以实现gd2o3的过饱和固溶添加，最大限度提高材料的中子屏蔽性能。
5、(3)机械合金化粉末的真空包套封装。球磨后适当筛选100-500目的粉末装入包套中并将包套置于加热炉内进行高温真空除水除气，待包套内真空度维持在低于10-2pa量级水平后，将抽气管夹断并对断口进一步真空密封处理，确保包套内保持高真空的密封状态。
6、(4)材料的高性能制备技术。根据氧化物弥散强化(ods)理论，采用机械合金化方法将高中子吸收截面gd元素以纳米氧化物gd2o3形式添加到基体材料中，并进一步采用hip方法调控纳米gd2o3的均匀弥散析出，获得纳米gd2o3弥散强化的抗辐照组织结构，进一步提高材料的抗辐照性能和综合力学性能，实现材料的高性能制备。
7、所述步骤(2)中以屏蔽材料总质量计，将基体材料粉末与纳米级0.5～6.0wt％gd2o3(例如0.5wt％、1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％或6wt％)粉末混合进行机械合金化球磨，以实现纳米gd2o3在合金粉体的超饱和固溶添加，机械合金化采用高能球磨机球磨，球磨工艺为：球料比为10:1～20:1，转速200～800r/min，磨球为与基体同成分的钢球，钢球直径2～10mm，球磨时间2～16h。
8、所述步骤(3)中包套真空封装工艺为：首先将包套抽气管与真空抽气分子泵组连接，然后将包套放置在加热炉内并在100-300℃下保温抽气4-16h，以去除粉末吸附的水汽和气体，待除水除气完成且包套内真空度维持在较高水平时，包套内压力低于10-2pa量级时效果较优，采用液压钳将抽气管夹断并采用电弧对断口进一步烧熔密封。
9、所述步骤(4)中hip工艺为：以10～20℃/min和1～4mpa/min随炉升温升压至1000～1200℃和150～180mpa，在此温度和压力下保温保压1.0～3.0h，然后随炉冷却至室温。
10、本专利技术的原理是：
11、本专利技术基于中子及γ射线与物质的相互作用原理，以及纳米氧化物弥散强化(ods)机理，采用具有高中子吸收截面的gd元素作为中子吸收功能材料，并以纳米gd2o3形式添加到具有高纯净低活化成分与抗辐照组织设计的铁素体/马氏体钢基体中，以基体合金元素w为γ屏蔽功能材料；根据机械合金化理论，采用球磨的方法实现gd2o3在基体的过饱和固溶添加，以提高材料的中子屏蔽性能；同时，基于纳米氧化物固溶-析出机理、ods理论以及热处理对材料组织的调控机理，采用hip方法调控纳米gd2o3的均匀弥散析出并获得材料抗辐照组织结构，进一步提升材料综合服役性能，实现材料的高性能制备。
12、本专利技术的优点：
13、(1)本专利技术的核辐射屏蔽材料具有高效中子和γ屏蔽性能。本专利技术根据中子输运理论以及不同化学元素对中子的吸收截面实验数据，优选具有高中子吸收截面的gd元素作为中子吸收功能填料，并采用本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料，其特征在于：所述屏蔽材料由低活化抗辐照设计的基体材料和中子与γ辐射屏蔽的功能材料复合而得，基体采用低活化成分与抗辐照组织结构设计，并将基体材料与具有高热中子吸收功能的纳米Gd2O3混合后进行机械合金化球磨，球磨后筛选100～500目的粉末装入包套中进行除水除气后真空封装处理，最后采用热等静压(HIP)方法调控纳米Gd2O3在材料中的均匀弥散析出并获得弥散强化的抗辐照组织结构，实现低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料的制备。
2.如权利要求1所述的一种低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料，其特征在于：所述屏蔽材料由低活化抗辐照设计的基体材料和中子与γ辐射屏蔽的功能材料复合而得；其中：基体采用低活化成分与抗辐照组织结构设计，以基体材料的总质量计，基体材料的化学组成(质量百分比，wt％)为：C:0.08～0.16％，Cr:7.50～12.00％，W:1.00～2.20％，V:0.15～0.40％，Ta:0.01～0.20％，Mn:0.05～0.75％，Si≤0.40％，Ti≤0.02％，Al≤0.0
3.如权利要求1所述的一种低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料，其特征在于：所述屏蔽材料由低活化成分及抗辐照组织的基体材料和功能材料复合而得，以屏蔽材料的总质量计，具有高效中子吸收截面的纳米Gd2O3功能材料占比为0.5～6.0wt％，其余为基体材料。
4.权利要求1所述的一种低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料的制备方法，其特征在于：基体材料粉末与纳米Gd2O3粉末混合进行机械合金化球磨，实现纳米Gd2O3在合金粉体的过饱和固溶添加以提高中子屏蔽效果，机械合金化采用高能球磨机，球磨工艺为：球料质量比为10:1～20:1，转速200～800r/min，磨球为与基体同成分钢球，钢球直径2～10mm，球磨时间2～16h。
5.如权利要求4所述的一种低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料的制备方法，其特征在于：将球磨后的粉末装入包套中进行真空封装处理，包套真空封装工艺为：将包套放置于加热炉内并在100-300℃保温进行真空抽气4-16h，以去除粉末吸附的水汽和气体，优选地包套内真空度低于10-2Pa，然后采用液压钳将抽气管夹断并用电弧对断口进一步烧熔密封。
6.如权利要求4所述的一种低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料的制备方法，其特征在于：采用HIP方法调控纳米Gd2O3的均匀弥散析出以及获得纳米Gd2O3弥散强化的抗辐照组织结构，HIP工艺为：以10～20℃/min和1～4MPa/min随炉升温升压至1000～1200℃和150～180MPa，在此温度和压力下保温保压1.0～3.0h，然后随炉冷却至室温。
...【技术特征摘要】
1.一种低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料，其特征在于：所述屏蔽材料由低活化抗辐照设计的基体材料和中子与γ辐射屏蔽的功能材料复合而得，基体采用低活化成分与抗辐照组织结构设计，并将基体材料与具有高热中子吸收功能的纳米gd2o3混合后进行机械合金化球磨，球磨后筛选100～500目的粉末装入包套中进行除水除气后真空封装处理，最后采用热等静压(hip)方法调控纳米gd2o3在材料中的均匀弥散析出并获得弥散强化的抗辐照组织结构，实现低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料的制备。
2.如权利要求1所述的一种低活化抗辐照的结构与多功能一体化核辐射屏蔽材料，其特征在于：所述屏蔽材料由低活化抗辐照设计的基体材料和中子与γ辐射屏蔽的功能材料复合而得；其中：基体采用低活化成分与抗辐照组织结构设计，以基体材料的总质量计，基体材料的化学组成(质量百分比，wt％)为：c:0.08～0.16％，cr:7.50～12.00％，w:1.00～2.20％，v:0.15～0.40％，ta:0.01～0.20％，mn:0.05～0.75％，si≤0.40％，ti≤0.02％，al≤0.03％，ni≤0.03％，cu≤0.05％，n≤0.07％，o≤0.01％，p≤0.02％，s≤0.01％，b≤0.006％，nb≤0.01％，mo≤0.05％，co≤0.01％，ag≤0.05％，as≤0.005％，sn≤0.005％，sb≤0.005％，zr≤0.005％，余量为fe；功能材料为：具有高热中子吸收截面的纳米gd2o3及高效γ屏蔽的基体合金元素w组成。
3.如权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：翟玉涛，黄群英，伊帆，董宜东，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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