射線屏蔽用鎢合金大制品的微觀結構和機械性能研究

劉春佳

（廈門鎢業股份有限公司， 福建 廈門 361000）

鎢合金的密度很接近純鎢，但比純鎢的機械加工性能好，所以可以制備形狀和尺寸比較復雜的零件。完全致密的鎢合金部件是由金屬粉末壓制成型，經過液相燒結得到，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域[1-4]。

中微子自發現以來，其性質已經越來越成為粒子物理學領域的首要任務之一。當前，自然界中存在著三種中微子類型，但一些實驗性的異常現象表明可能存在著第四類中微子。CeSOX項目旨在測試第四類中微子狀態的存在。在這個項目中，產品144Ce放射源（CeANG）特別重要，因為中微子是通過衰變而釋放出來的。同時，中微子也產生了γ射線[5]，這些γ射線對人體是有害的。為了避免損害，需要一個高密度的鎢重合金屏蔽裝置來放置CeANG。

1 鎢合金部件設計及制造實驗

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。通過計算，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構，其直徑和高度約為550 mm。內部有一個腔體，用來放置含有CeANG的不銹鋼容器。另外還有一個用于屏蔽CeANG放射源的頂部鎢合金塞子。屏蔽件的凈重超過2 t，為了轉運安全，應對鎢合金的機械性能進行評估，例如強度、沖擊韌性等。

根據設計，所用鎢合金的密度需要超過18.0g/cm3，同時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，按照質量比95.5∶3.15∶1.35進行混合，混合時間為24 h。將混合好的粉末裝入到特定的橡膠包套里面，振實、密封好，放入到冷等靜壓機中壓制，壓力為200 MPa。然后進行液相燒結。一般來說，鎢合金是通過液相燒結而成的，合適的燒結曲線對鎢合金的密度、避免嚴重變形和出現內部大的缺陷是至關重要的。為了找到合適的燒結曲線，一個直徑為200 mm、高度200 mm的圓柱狀鎢合金試樣被生產出來。

除了整體密度外，部件內部的不均勻性和內部缺陷（例如殘留氣孔、裂紋等）都會影響射線屏蔽性能。因此，為了對鎢合金的微觀結構和力學性能進行評價，開發了一種超聲波探傷的方法，對鎢合金整體進行無損檢測，并驗證了超聲檢測方法的有效性。

2 性能實驗結果與分析

圓柱形試樣的質量為137.96 kg，檢測試樣的整體密度為18.2 g/cm3。通過鎢合金試樣的跌落試驗來模擬轉運過程的安全問題。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。跌落試驗后，試樣與水泥地面和鋼板地面的接觸區域沒有損壞，但是在地面上留有撞擊的痕跡，如下頁圖1所示。

采用超聲探傷儀對試樣進行均勻性和內部缺陷檢測，并通過對其內部密度測量和掃描電鏡觀察等方法對試樣進行驗證。采用縱向波垂直入射法，依據國軍標GJB 1580a—2004進行超聲檢測。檢測靈敏度是由一個直徑為3 mm的水平孔來校準的，即鎢合金的一個參考檢測塊。在圓柱形試樣中沒有檢測到大于3 mm的孔洞。然而，在幾個區域中檢測到一些低強度和不穩定峰值回波信號，這就意味著存在著局部的不均勻性。因此，這個鎢合金圓柱試樣被切割，在不同的位置取9個大小為10 mm×10 mm×10 mm小樣品，如圖2所示。

圖1 試樣的跌落實驗

圖2 小樣品的取樣位置

9個小樣品的密度見表1。通過光學顯微鏡觀察了最低密度和最高密度區（即4號和6號）的微觀結構（見圖3），密度最低的區域內存在顆粒之間的堆積，而密度最高的區域為典型的鎢合金顯微結構。使用掃描電鏡分析了超聲波探傷儀檢測到的組織不均勻區域和正常區域，結果如圖3所示。與正常區域相比，低強度、不穩定峰值、反射波較多區域的鎢顆粒之間液相較少。

表1 9個樣品的密度 g/cm3

圖3 超聲波探傷檢測出的不均勻區域和正常區域

使用高倍數的SEM觀察，在W顆粒富集的區域有殘余氣孔，如圖4所示，這意味著在W顆粒中缺乏液相可能會阻礙燒結過程的致密化。

圖4 試樣中W顆粒富集區的殘留氣孔

鎢合金試樣的力學性能如表2所示,分別對比了鎢合金ASTMb777-99，Class3的標準以及常規的直徑20 mm鎢合金棒材。鎢合金試樣的力學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，而試樣的機械性能對于射線屏蔽的應用已足夠。

表2 試樣材料的機械性能和不同鎢合金標準的比較

基于試樣的開發過程，鎢合金屏蔽件的主體和塞子被成功地制造出來，如下頁圖5所示。采用超聲檢測法檢測了零件內部的缺陷，未發現超過3 mm的殘留氣孔。

圖5 鎢合金屏蔽件的主體和塞子

3 實驗結論與討論

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）通過跌落試驗模擬了轉運過程中可能遇到的意外情況，試驗后樣件未發生損壞。

3）使用掃描電鏡和超聲波無損探傷，檢測了樣件內部的缺陷，未發現超過3 mm的殘余氣孔，僅在局部區域發現有組織不均勻的現象。

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

[2]Qakes J.J.鎢基高比重合金技術的發展[J].林本初譯.四川有色金屬，1995（3）：22-29.

[3]趙慕岳，范景蓮，王伏生.我國鎢基高密度合金的發展現狀與展望[J].中國鎢業，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中的應用與開發[J].粉末冶金材料科學與工程，1997，2（4）：279-284.