Конструкционный радиационно-защитный алюминиевый сплав Российский патент 2025 года по МПК C22C21/06 G21F1/08 

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению алюминиевых сплавов с использованием жидкофазных технологий, в которые введены нейтронно-поглощающие и гамма-рассеивающие элементы в виде легирующих комплексов или интерметаллидных частиц различной дисперсности. Такие сплавы универсального назначения и многоцелевого использования могут применяться в качестве материала в различных конструкциях, работающих в условиях воздействия ионизирующих излучений, в частности, в медицине, химии, биохимии, оборонной технике, особенно в атомной энергетике для изготовления нейтронно-защитных экранов, в транспортно-упаковочных контейнерах, нейтронно-поглощающих перегородках в хранилищах тепловыделяющих сборок и отработанного ядерного топлива, а также для биологической защиты персонала, обслуживающего ядерно-энергетические установки и различные источники радиоактивности.

В настоящее время большое внимание уделяется созданию функциональных материалов, обладающих заданным уровнем механических, физических, технологических свойств и повышенными радиационно-защитными свойствами. Такие материалы востребованы, в частности, в атомной энергетике, оборонной промышленности.

Одним из наиболее опасных факторов воздействия являются нейтронные потоки с низким энергетическим уровнем (медленные, тепловые нейтроны). Многие нейтронно-поглощающие элементы под влиянием нейтронного воздействия становятся источниками вторичного гамма-излучения, а в ряде случаев поражающим фактором является первичное гамма-излучение.

Особое место занимают алюмоматричные композиционные материалы, обладающие уникальным сочетанием механических, эксплуатационных и специальных свойств: низкая удельная плотность, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, хорошая теплопроводность. Алюминий является радиационно-стойким материалом, который при эксплуатации в режиме повышенного радиационного излучения мало подвержен распуханию и, в то же время, обладает определенными нейтронно-поглощающими свойствами.

Известен улучшенный композиционный материал на основе алюминиевых сплавов, содержащий 10-40 об. % дисперсных частиц В₄С и получаемый за счет введения дисперсных частиц в матричный расплав, перемешивания суспензии и заливки ее в литейную форму (патент WO 2004038050 А, опубл. 06.05.2004).

Известен композиционный материал на основе сплава системы Al-Mg-Mn, содержащий бор в количестве 0,5-10 мас. % и обладающий нейтронно-поглощающими свойствами, получаемый за счет введения дисперсных частиц бора или его соединений в матричный расплав с последующей прокаткой или ковкой литой заготовки при температуре 250-600°С или экструзией при температуре 400-550°С (патент GB 2361934 А, опубл. 01.03.2001).

Известен литой алюмоматричный композиционный материал, содержащий 10-40 об. % B₄C в виде дисперсных частиц и получаемый за счет введения дисперсных частиц в расплав, перемешивания и использования полученной суспензии в процессах литья (патент US 20060090872 А1, опубл. 04.05.2006).

Общим недостатком вышеприведенных материалов является использование соединений бора в качестве единственного нейтронно-поглощающего компонента, не перекрывающего весь низкоэнергетический диапазон нейтронных потоков и не обладающий гамма-защитными свойствами.

Известен литой композиционный материал на основе алюминия, полученный: а) введением в алюминиевый расплав борсодержащих частиц, выдержкой расплава до частичного растворения борсодержащих частиц, добавлением титана для образования мелких частиц диборида титана; б) введением в алюминиевый расплав гадолиния или самария для образования мелких частиц AlGd₃ и AlSm₃ (патент US 20080050270 А1).

Недостатком этого сплава является отсутствие в составе эффективных гамма-поглощающих элементов.

Известен композиционный сплав, содержащий нанопорошки борсодержащих материалов и вольфрама, обладающий повышенными нейтронно- и гамма-поглощающими свойствами (патент РФ 2509818, опубл. 20.03.2014).

Недостатком этого сплава является использование бора в качестве нейтронно-поглощающего элемента, проявляющего эти свойства в узком диапазоне энергий нейтронного потока, и низкий уровень свойств по сравнению с уровнем в предлагаемом изобретении.

Известен свариваемый термически неупрочняемый сплав 01570С системы Al-Mg-Sc (Филатов Ю.А., Плотников А.Д. Структура и свойства деформированных полуфабрикатов из алюминиевого сплава 01570С системы Al-MgSc для изделия РКК «Энергия» // Технология легких сплавов, №2, 2011, стр. 15-26), содержащий в мас. %: 5,0-5,6 Mg, 0,18-0,26 Sc, 0,2-0,5 Mn, 0,05-0,12 Zr, 0,01-0,03 Ti, 0,0002- 0,005 Be, 0,0002-0,0009 Се, до 0,07 Fe, до 0,05 Si и имеющий σв=380-450 МПа, σ0,2=280-320 МПа, δ=18-23%). В указанном сплаве все легирующие элементы, вводимые в сплав (кроме В, Gd, W, Gf), предназначены для обеспечения уровня механических свойств не ниже, чем у широко используемых термически неупрочняемых конструкционных алюминиево-магниевых сплавов.

По своей технической сущности и достигаемому результату в качестве прототипа принят конструкционный радиационно-защитный алюминиевый сплав, раскрытый в патенте FR 2584852 от 16.01.1987, содержащий дисперсную фазу бора, или его производных, и гадолиний, обладающий повышенными нейтронно-поглощающими и гамма-защитными свойствами.

Недостатком этого сплава является то, что он в качестве радиационной защиты эффективен как нейтронно-поглощающий сплав, и не эффективен как гамма-рассеивающий сплав.

Техническим результатом изобретения является создание конструкционного радиационно-защитного алюминиевого сплава, обладающего повышенной способностью поглощать низкоэнергетические нейтроны и гамма-излучение (вторичное как результат воздействия нейтронных потоков и первичное от внешних источников) при уровне механических свойств не ниже широко используемых термически неупрочняемых конструкционных алюминиево-магниевых сплавов.

Технический результат изобретения достигается тем, что конструкционный радиационно-защитный алюминиевый сплав содержит бор, гафний и алюминий, а также сплав дополнительно содержит магний, скандий, кремний, железо, гадолиний и/или вольфрам, цирконий или титан, медь или марганец, и один элемент из группы, содержащей церий, лантан, иттрий, эрбий, иттербий, диспрозий, европий, лютеций и тулий, при следующем содержании компонентов, мас. %:

бор 1,5-10,0 гафний 0,4-4,0 магний 1,0-7,0 скандий 0,1-1,5 кремний менее 2,0 железо менее 0,5,

гадолиний и/или вольфрам при суммарном содержании от 1,5 до 15,0, причем содержание гадолиния не превышает 12 мас. %, а содержание вольфрама не превышает 10 мас. %,

цирконий или титан от 1,5 до 5,0 медь или марганец от 0,05 до 5,0,

один элемент из группы, содержащей церий, лантан, иттрий, эрбий, иттербий, диспрозий, европий, лютеций и тулий, от 0,003 до 0,75 и

алюминий остальное

Нижнее содержание бора (1,5 мас. %) обосновано низкой эффективностью его влияния при более низких концентрациях, верхнее (10 мас. %) - существенным снижением прочности при более высоких концентрациях.

При суммарном содержании гадолиния и вольфрама менее 1,5 мас. % их влияния на радиационно-защитные свойства недостаточно. При суммарном содержании гадолиния и вольфрама более 15 мас. % ухудшаются механические свойства сплава.

При этом верхнее содержание гадолиния 12 мас. % определено условием протекания при температуре 645°С эвтектического превращения Ж↔Al+Al₃Gd. В заэвтектическом сплаве резко повышается температура ликвидус, появляются крупные интерметаллические включения, снижающие прочность сплава.

Верхнее содержание вольфрама 10 мас. % обусловлено ограничением технологически удобной температуры плавления сплава в области 1000°С.

Магний является одним из основных упрочняющих компонентов алюминиевых сплавов. С увеличением содержания магния в сплаве возрастает механическая прочность полуфабрикатов, но при этом существенно ухудшаются технологические свойства при последующей обработке давлением. При содержании магния в сплаве более 7 мас. % существенно ухудшаются коррозионные свойства сплава, а при содержании менее 1 мас. % недостаточна прочность сплава. В связи с этим для обеспечения высоких механических и коррозионных свойств сплава содержание магния в предлагаемом сплаве должно составлять от 1,0 до 7,0 мас. %.

Нижнее содержание гафния (0,4 мас. %) обосновано низкой эффективностью его влияния при более низких концентрациях, верхнее содержание (4,0 мас. %) - ограничениями по температуре плавления (около 1200°С).

Скандий является наиболее эффективным упрочнителем сплава системы Al-Mg, добавка скандия в сплавы на основе системы Al-Mg позволяет существенно повысить его прочностные характеристики. При содержании скандия в сплаве в количестве меньшем 0,1 мас. % весь скандий находится в твердом растворе и его упрочняющее действие незначительно. При его содержании более 0,1 мас. % дисперсные зародыши фаз редкоземельных металлов способствуют выпадению скандия из твердого раствора, что приводит к упрочнению сплава. Увеличение содержания скандия в сплаве более 1,5 мас. % нецелесообразно, так как может привести к образованию грубых фаз на основе скандия и не будет способствовать дальнейшему увеличению прочности.

Цирконий, титан являются упрочнителями в славах Al-Mg, наибольший упрочняющий эффект достигается при содержании циркония или титана от 1,5 до 5,0 мас. %. При содержании циркония или титана в данном сплаве менее 1,5 мас. % эффект упрочнения проявляется незначительно и не удается обеспечить необходимый уровень прочности. При содержании циркония или титана более 5,0 мас. % происходит образование грубых первичных интерметаллидов и, как следствие, снижение прочностных и пластических характеристик сплава.

Медь, марганец способствуют упрочнению твердого раствора. Введение меди упрочняет сплав, но снижает сопротивление образованию горячих трещин при сварке. Введение марганца также увеличивает прочность, но может привести к уменьшению растворимости элементов из группы ПМ и способствовать образованию комплексных интерметаллидных фаз с низким упрочняющим действием. При содержании меди или марганца менее 0,05 мас. % эффект упрочнения проявляется незначительно, при содержании меди или марганца более 5,0 мас. % происходит образование грубых первичных интерметаллидов и, как следствие, снижение прочностных и пластических характеристик сплава.

Введение в состав сплава по одного элемента из группы, содержащей церий, лантан, иттрий, эрбий, иттербий, диспрозий, европий, лютеций и тулий при содержании от 0,003 мас. % до 0,75 мас. % позволяет повысить стабильность дисперсных упрочняющих фаз - продуктов распада пересыщенного твердого раствора за счет предотвращения их коагуляции и, соответственно, уменьшения степени разупрочнения сплава при термомеханическом воздействии. Элементы из группы редкоземельных металлов нерастворимы в алюминиевой матрице, и при большой концентрации одного элемента из группы в структуре металла возможно появление грубых первичных фаз, что приводит к охрупчиванию материала и существенному снижению его механических свойств. Положительное действие одного элемента из группы, содержащей церий, лантан, иттрий, эрбий, иттербий, диспрозий, европий, лютеций и тулий, проявляется при легировании до содержания не более 0,75 мас. %. Введение элемента при содержании менее 0,003 мас. % не оказывает существенного влияния на свойства сплава.

Примеры реализации

Составы заявляемых сплавов получали в среднечастотной (2500 Гц) индукционной печи с использованием шихты, состоящей из технического алюминия марки А7 и предварительно полученных высокопроцентных лигатур Al-Gd и Al-W.

Лигатуры Al-10% Gd и Al-10%W были получены в индукционной плавильной установке в составе источника питания с системой управления «VIP Power-Trak» мощностью 200 кВт/ч, частотой 500-1000 Гц и плавильной индукционной печи емкостью 350 кг с графитовым тиглем. Химический анализ проб металла производился с помощью рентгенофлюоресцентного спектрометра «AIL PERFORM X 2500».

Лигатура Al-W. В качестве шихтовых материалов использовали алюминий технической частоты (А7) и вольфрам металлический. Загрузку, расплавление, нагрев алюминия осуществляли до температуры 760°С. Затем производили присадку вольфрама и увеличивали нагрев расплава до 1200°С с одновременным размешиванием до полного растворение легирующего элемента. Разливка происходила в изложницу при температуре 1215-1220°С с постоянным перемешиванием для обеспечения равномерности распределения вольфрама по всему сечению слитка. Безвозвратные потери (угар шихты, шлак) составили 12%.

Лигатура Al-Gd. В качестве шихтовых материалов использовали алюминий технической частоты (А7) и гадолиний металлический. Загрузку, расплавление, нагрев алюминия осуществляли до температуры 760-780°С. Затем производили присадку гадолиния в жидкий алюминий и размешивали до полного усвоения элемента (взаимодействие гадолиния и алюминия протекает с выделением тепла, температура металла возросла до 880-890°С). Затем охлаждали расплав до температуры заливки (740°С). Разливка происходила в изложницу с постоянным перемешиванием для обеспечения равномерности распределения гадолиния по всему сечению слитка. Безвозвратные потери (угар шихты, шлак) составили 12%.

При получении сплавов заявленных составов в индукционную печь промышленной частоты с графитовым тиглем, нагретую до 600°С, загружали чушки первичного алюминия А7, при температуре 670-700°С в жидкий алюминий вводили высокопроцентные лигатуры, соответственно Al-10%Gd или A1-10%W, поднимали температуру расплава до 950-970°С, выдерживали 10-15 минут, после чего заливали сплав в соответствующие литейные формы (для получения слитков или литых заготовок соответствующих образцов для испытаний). Расчет шихты для получения сплава конкретного состава производился с учетом угара, соответственно, гадолиния или вольфрама.

Величина угара составляла 10-12%. Контроль температуры расплава осуществлялся термопарой погружения в составе автоматизированного комплекса.

Методика оценки радиационно-защитных свойств опытных сплавов.

Для оценки радиационно-защитных свойств заявляемых сплавов использовались плоские образцы диаметром 50 мм и толщиной 5 и 10 мм, отрезанные от полученных конически слитков диаметром, соответственно 55 (низ) и 60 (верх) мм.

Для проведения экспериментов по ослаблению гамма-излучения использовались три типа источников активностью от 100 до 1000 кБк на момент измерения. Для описания источников гамма-излучения использовались данные из базы данных NuDat 3.0 (таблица 1).

Сравнивались коэффициенты ослабления гамма-излучения μ из формулы

I(t)=Io*ехр (-μ * t), где

I - плотность потока

μ, см-1 - коэффициент ослабления

t, см - толщина образца.

Для оценки влияния вольфрама и гадолиния на нейтронный поток использовали нейтронный источник Cf-252 (выход нейтронов 1,52×105 нейтр/с на момент измерения) и нейтронный поисковый прибор КСАР1У.06. В качестве замедлителей нейтронов использовали полиэтилен и кадмий. Степень влияния гадолиния и вольфрама на способность алюминия поглощать нейтроны оценивалась по результатам измерений скорости счета детектора нейтронов (с^-1).

В таблице 2 приведены составы полученных сплавов.

В таблице 3 приведены экспериментальные данные о радиационно-защитные свойствах полученных сплавов.

Из таблицы видно, что все образцы заявленного состава обеспечивают существенное снижение (снижая ее более чем в 5 раз по сравнению с прототипом) на скорость счета детектора нейтронов. Подтверждена высокая способность вольфрама ослаблять гамма-излучение.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению алюминиевых сплавов с использованием жидкофазных технологий, в которые введены нейтронно-поглощающие и гамма-рассеивающие элементы в виде легирующих комплексов или интерметаллидных частиц различной дисперсности. Конструкционный радиационно-защитный алюминиевый сплав, мас. %: бор 1,5-10,0, гафний 0,4-4,0, магний 1,0-7,0, скандий 0,1-1,5, кремний менее 2,0, железо менее 0,5, гадолиний и/или вольфрам при суммарном содержании от 1,5 до 15,0, причем содержание гадолиния не превышает 12, а содержание вольфрама не превышает 10, цирконий или титан от 1,5 до 5,0, медь или марганец от 0,05 до 5,0, один элемент из группы, содержащей церий, лантан, иттрий, эрбий, иттербий, диспрозий, европий, лютеций и тулий, от 0,003 до 0,75 и алюминий - остальное. Обеспечивается повышенная способность поглощать низкоэнергетические нейтроны и гамма-излучение (вторичное как результат воздействия нейтронных потоков и первичное от внешних источников) при уровне механических свойств не ниже широко используемых термически неупрочняемых конструкционных алюминиево-магниевых сплавов. 3 табл., 10 пр.

Конструкционный радиационно-защитный алюминиевый сплав, содержащий бор, гафний и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний, скандий, кремний, железо, гадолиний и/или вольфрам, цирконий или титан, медь или марганец и один элемент из группы, содержащей церий, лантан, иттрий, эрбий, иттербий, диспрозий, европий, лютеций и тулий, при следующем содержании компонентов, мас. %:

бор 1,5-10,0 гафний 0,4-4,0 магний 1,0-7,0 скандий 0,1-1,5 кремний менее 2,0 железо менее 0,5,

гадолиний и/или вольфрам при суммарном содержании от 1,5 до 15,0, причем содержание гадолиния не превышает 12 мас. %, а содержание вольфрама не превышает 10 мас. %,

цирконий или титан от 1,5 до 5,0 медь или марганец от 0,05 до 5,0,

один элемент из группы, содержащей церий, лантан, иттрий, эрбий, иттербий, диспрозий, европий, лютеций и тулий, от 0,003 до 0,75 и

алюминий остальное