射線屏蔽用鎢合金大制品的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能研究

劉春佳

（廈門鎢業(yè)股份有限公司， 福建 廈門 361000）

鎢合金的密度很接近純鎢，但比純鎢的機(jī)械加工性能好，所以可以制備形狀和尺寸比較復(fù)雜的零件。完全致密的鎢合金部件是由金屬粉末壓制成型，經(jīng)過(guò)液相燒結(jié)得到，且在同等厚度的情況下，鎢合金的射線屏蔽作用比鉛要好，因此，鎢合金被廣泛用于射線屏蔽領(lǐng)域[1-4]。

中微子自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其性質(zhì)已經(jīng)越來(lái)越成為粒子物理學(xué)領(lǐng)域的首要任務(wù)之一。當(dāng)前，自然界中存在著三種中微子類型，但一些實(shí)驗(yàn)性的異?，F(xiàn)象表明可能存在著第四類中微子。CeSOX項(xiàng)目旨在測(cè)試第四類中微子狀態(tài)的存在。在這個(gè)項(xiàng)目中，產(chǎn)品144Ce放射源（CeANG）特別重要，因?yàn)橹形⒆邮峭ㄟ^(guò)衰變而釋放出來(lái)的。同時(shí)，中微子也產(chǎn)生了γ射線[5]，這些γ射線對(duì)人體是有害的。為了避免損害，需要一個(gè)高密度的鎢重合金屏蔽裝置來(lái)放置CeANG。

1 鎢合金部件設(shè)計(jì)及制造實(shí)驗(yàn)

為保證屏蔽效果，鎢重合金屏蔽裝置由兩部分組成—主體和塞子。通過(guò)計(jì)算，這兩部分的最小壁厚為190 mm（按照鎢合金的密度為18.0 g/cm3）。主體是一體式的圓柱體結(jié)構(gòu)，其直徑和高度約為550 mm。內(nèi)部有一個(gè)腔體，用來(lái)放置含有CeANG的不銹鋼容器。另外還有一個(gè)用于屏蔽CeANG放射源的頂部鎢合金塞子。屏蔽件的凈重超過(guò)2 t，為了轉(zhuǎn)運(yùn)安全，應(yīng)對(duì)鎢合金的機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)估，例如強(qiáng)度、沖擊韌性等。

根據(jù)設(shè)計(jì)，所用鎢合金的密度需要超過(guò)18.0g/cm3，同時(shí)考慮到材料的延展性，w（W）在95%～96%的鎢合金是比較適合的。首先將鎢粉、鎳粉和鐵粉，按照質(zhì)量比95.5∶3.15∶1.35進(jìn)行混合，混合時(shí)間為24 h。將混合好的粉末裝入到特定的橡膠包套里面，振實(shí)、密封好，放入到冷等靜壓機(jī)中壓制，壓力為200 MPa。然后進(jìn)行液相燒結(jié)。一般來(lái)說(shuō)，鎢合金是通過(guò)液相燒結(jié)而成的，合適的燒結(jié)曲線對(duì)鎢合金的密度、避免嚴(yán)重變形和出現(xiàn)內(nèi)部大的缺陷是至關(guān)重要的。為了找到合適的燒結(jié)曲線，一個(gè)直徑為200 mm、高度200 mm的圓柱狀鎢合金試樣被生產(chǎn)出來(lái)。

除了整體密度外，部件內(nèi)部的不均勻性和內(nèi)部缺陷（例如殘留氣孔、裂紋等）都會(huì)影響射線屏蔽性能。因此，為了對(duì)鎢合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，開(kāi)發(fā)了一種超聲波探傷的方法，對(duì)鎢合金整體進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并驗(yàn)證了超聲檢測(cè)方法的有效性。

2 性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圓柱形試樣的質(zhì)量為137.96 kg，檢測(cè)試樣的整體密度為18.2 g/cm3。通過(guò)鎢合金試樣的跌落試驗(yàn)來(lái)模擬轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程的安全問(wèn)題。試樣分別從0.3 m、0.6 m、1.5 m和3.0 m的高度，自由落體掉落在水泥地面和鋼板地面上。跌落試驗(yàn)后，試樣與水泥地面和鋼板地面的接觸區(qū)域沒(méi)有損壞，但是在地面上留有撞擊的痕跡，如下頁(yè)圖1所示。

采用超聲探傷儀對(duì)試樣進(jìn)行均勻性和內(nèi)部缺陷檢測(cè)，并通過(guò)對(duì)其內(nèi)部密度測(cè)量和掃描電鏡觀察等方法對(duì)試樣進(jìn)行驗(yàn)證。采用縱向波垂直入射法，依據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB 1580a—2004進(jìn)行超聲檢測(cè)。檢測(cè)靈敏度是由一個(gè)直徑為3 mm的水平孔來(lái)校準(zhǔn)的，即鎢合金的一個(gè)參考檢測(cè)塊。在圓柱形試樣中沒(méi)有檢測(cè)到大于3 mm的孔洞。然而，在幾個(gè)區(qū)域中檢測(cè)到一些低強(qiáng)度和不穩(wěn)定峰值回波信號(hào)，這就意味著存在著局部的不均勻性。因此，這個(gè)鎢合金圓柱試樣被切割，在不同的位置取9個(gè)大小為10 mm×10 mm×10 mm小樣品，如圖2所示。

圖1 試樣的跌落實(shí)驗(yàn)

圖2 小樣品的取樣位置

9個(gè)小樣品的密度見(jiàn)表1。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察了最低密度和最高密度區(qū)（即4號(hào)和6號(hào)）的微觀結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3），密度最低的區(qū)域內(nèi)存在顆粒之間的堆積，而密度最高的區(qū)域?yàn)榈湫偷逆u合金顯微結(jié)構(gòu)。使用掃描電鏡分析了超聲波探傷儀檢測(cè)到的組織不均勻區(qū)域和正常區(qū)域，結(jié)果如圖3所示。與正常區(qū)域相比，低強(qiáng)度、不穩(wěn)定峰值、反射波較多區(qū)域的鎢顆粒之間液相較少。

表1 9個(gè)樣品的密度 g/cm3

圖3 超聲波探傷檢測(cè)出的不均勻區(qū)域和正常區(qū)域

使用高倍數(shù)的SEM觀察，在W顆粒富集的區(qū)域有殘余氣孔，如圖4所示，這意味著在W顆粒中缺乏液相可能會(huì)阻礙燒結(jié)過(guò)程的致密化。

圖4 試樣中W顆粒富集區(qū)的殘留氣孔

鎢合金試樣的力學(xué)性能如表2所示,分別對(duì)比了鎢合金ASTMb777-99，Class3的標(biāo)準(zhǔn)以及常規(guī)的直徑20 mm鎢合金棒材。鎢合金試樣的力學(xué)性能較鎢合金棒材低，這是由于不均勻的微觀組織和殘余氣孔造成的。另一方面，熱處理脫氫可以極大地提高鎢合金的機(jī)械性能，比如延伸率和沖擊韌性。熱處理鎢合金制品的成本非常高，而試樣的機(jī)械性能對(duì)于射線屏蔽的應(yīng)用已足夠。

表2 試樣材料的機(jī)械性能和不同鎢合金標(biāo)準(zhǔn)的比較

基于試樣的開(kāi)發(fā)過(guò)程，鎢合金屏蔽件的主體和塞子被成功地制造出來(lái)，如下頁(yè)圖5所示。采用超聲檢測(cè)法檢測(cè)了零件內(nèi)部的缺陷，未發(fā)現(xiàn)超過(guò)3 mm的殘留氣孔。

圖5 鎢合金屏蔽件的主體和塞子

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與討論

1）成功研制了高密度、大尺寸的用于射線屏蔽的鎢合金屏蔽件。

2）通過(guò)跌落試驗(yàn)?zāi)M了轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中可能遇到的意外情況，試驗(yàn)后樣件未發(fā)生損壞。

3）使用掃描電鏡和超聲波無(wú)損探傷，檢測(cè)了樣件內(nèi)部的缺陷，未發(fā)現(xiàn)超過(guò)3 mm的殘余氣孔，僅在局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)有組織不均勻的現(xiàn)象。

[1]鄒惠蘭.鎢基重合金的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].湖南冶金，1997（2）：60-64.

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[3]趙慕岳，范景蓮，王伏生.我國(guó)鎢基高密度合金的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)鎢業(yè)，1999，14（5/6）：38-43.

[4]張中武，冉廣，周敬恩.鎢基高密度合金的研究進(jìn)展[J].金屬熱處理，2003，28（2）：9-13.

[5]王伏生，梁容海，趙慕岳.高密度鎢合金在民用工業(yè)中的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，1997，2（4）：279-284.