RU2840328C1 - Structural radiation-protective aluminum alloy - Google Patents
Structural radiation-protective aluminum alloy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2840328C1 RU2840328C1 RU2024106498A RU2024106498A RU2840328C1 RU 2840328 C1 RU2840328 C1 RU 2840328C1 RU 2024106498 A RU2024106498 A RU 2024106498A RU 2024106498 A RU2024106498 A RU 2024106498A RU 2840328 C1 RU2840328 C1 RU 2840328C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- content
- gadolinium
- alloy
- tungsten
- neutron
- Prior art date
Links
Abstract
Description
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.The invention relates to metallurgy, in particular to the production of aluminium alloys using liquid-phase technologies, into which neutron-absorbing and gamma-scattering elements are introduced in the form of alloying complexes or intermetallic particles of varying dispersion. Such alloys of universal application and multi-purpose use can be used as a material in various structures operating under conditions of exposure to ionising radiation, in particular in medicine, chemistry, biochemistry, defence technology, especially in nuclear power engineering for the manufacture of neutron-protective screens, in transport and packaging containers, neutron-absorbing partitions in storage facilities for fuel assemblies and spent nuclear fuel, as well as for the biological protection of personnel servicing nuclear power plants and various sources of radioactivity.
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.At present, much attention is paid to the creation of functional materials with a given level of mechanical, physical, technological properties and increased radiation-protective properties. Such materials are in demand, in particular, in the nuclear power industry and the defense industry.
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.One of the most dangerous factors of influence are neutron flows with a low energy level (slow, thermal neutrons). Many neutron-absorbing elements under the influence of neutron impact become sources of secondary gamma radiation, and in some cases the damaging factor is primary gamma radiation.
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.A special place is occupied by aluminum-matrix composite materials, which have a unique combination of mechanical, operational and special properties: low specific density, high specific strength, corrosion resistance, good thermal conductivity. Aluminum is a radiation-resistant material, which, when used in the mode of increased radiation, is little susceptible to swelling and, at the same time, has certain neutron-absorbing properties.
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).An improved composite material based on aluminum alloys is known, containing 10-40 vol.% of dispersed B4C particles and obtained by introducing dispersed particles into a matrix melt, mixing the suspension and pouring it into a casting mold (patent WO 2004038050 A, published 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).A composite material based on an Al-Mg-Mn alloy is known, containing boron in an amount of 0.5-10 wt.% and possessing neutron-absorbing properties, obtained by introducing dispersed particles of boron or its compounds into a matrix melt with subsequent rolling or forging of a cast blank at a temperature of 250-600°C or extrusion at a temperature of 400-550°C (patent GB 2361934 A, published 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).A cast aluminum matrix composite material is known, containing 10-40 vol.% B4C in the form of dispersed particles and obtained by introducing dispersed particles into the melt, mixing and using the resulting suspension in casting processes (patent US 20060090872 A1, published 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.A common drawback of the above materials is the use of boron compounds as the only neutron-absorbing component, which does not cover the entire low-energy range of neutron fluxes and does not have gamma-protective properties.
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).A cast composite material based on aluminum is known, obtained by: a) introducing boron-containing particles into an aluminum melt, holding the melt until the boron-containing particles partially dissolve, adding titanium to form small particles of titanium diboride; b) introducing gadolinium or samarium into an aluminum melt to form small particles of AlGd 3 and AlSm 3 (patent US 20080050270 A1).
Недостатком этого сплава является отсутствие в составе эффективных гамма-поглощающих элементов.The disadvantage of this alloy is the absence of effective gamma-absorbing elements in its composition.
Известен композиционный сплав, содержащий нанопорошки борсодержащих материалов и вольфрама, обладающий повышенными нейтронно- и гамма-поглощающими свойствами (патент РФ 2509818, опубл. 20.03.2014).A composite alloy containing nanopowders of boron-containing materials and tungsten is known, which has increased neutron- and gamma-absorbing properties (RU patent 2509818, published 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.The disadvantage of this alloy is the use of boron as a neutron-absorbing element, which exhibits these properties in a narrow range of neutron flux energies, and a low level of properties compared to the level in the proposed invention.
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.A weldable, non-heat-hardening alloy 01570C of the Al-Mg-Sc system is known (Filatov Yu.A., Plotnikov A.D. Structure and properties of deformed semi-finished products made of aluminum alloy 01570C of the Al-MgSc system for the RSC Energia product // Technology of light alloys, No. 2, 2011, pp. 15-26), containing in wt. %: 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 Ce, up to 0.07 Fe, up to 0.05 Si and having σв=380-450 MPa, σ0.2=280-320 MPa, δ=18-23%). In the specified alloy, all alloying elements introduced into the alloy (except B, Gd, W, Gf) are intended to provide a level of mechanical properties not lower than that of widely used thermally non-hardening structural aluminum-magnesium alloys.
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.In terms of its technical essence and the achieved result, the structural radiation-protective aluminum alloy disclosed in patent FR 2584852 of 16.01.1987, containing a dispersed phase of boron or its derivatives, and gadolinium, which has increased neutron-absorbing and gamma-protective properties, was adopted as a prototype.
Недостатком этого сплава является то, что он в качестве радиационной защиты эффективен как нейтронно-поглощающий сплав, и не эффективен как гамма-рассеивающий сплав.The disadvantage of this alloy is that it is effective as a radiation shielding alloy as a neutron-absorbing alloy, but not effective as a gamma-scattering alloy.
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.The technical result of the invention is the creation of a structural radiation-protective aluminum alloy that has an increased ability to absorb low-energy neutrons and gamma radiation (secondary as a result of exposure to neutron fluxes and primary from external sources) with a level of mechanical properties not lower than the widely used thermally non-hardened structural aluminum-magnesium alloys.
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. %:The technical result of the invention is achieved in that the structural radiation-protective aluminum alloy contains boron, hafnium and aluminum, and the alloy additionally contains magnesium, scandium, silicon, iron, gadolinium and/or tungsten, zirconium or titanium, copper or manganese, and one element from the group containing cerium, lanthanum, yttrium, erbium, ytterbium, dysprosium, europium, lutetium and thulium, with the following content of components, wt. %:
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. %,gadolinium and/or tungsten in a total content of 1.5 to 15.0, with the gadolinium content not exceeding 12 wt.% and the tungsten content not exceeding 10 wt.%,
один элемент из группы, содержащей церий, лантан, иттрий, эрбий, иттербий, диспрозий, европий, лютеций и тулий, от 0,003 до 0,75 и one element from the group containing cerium, lanthanum, yttrium, erbium, ytterbium, dysprosium, europium, lutetium and thulium, from 0.003 to 0.75 and
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.The lower boron content (1.5 wt.%) is justified by the low efficiency of its influence at lower concentrations, the upper one (10 wt.%) is justified by a significant decrease in strength at higher concentrations.
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.If the total content of gadolinium and tungsten is less than 1.5 wt. %, their effect on radiation-protective properties is insufficient. If the total content of gadolinium and tungsten is more than 15 wt. %, the mechanical properties of the alloy deteriorate.
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.In this case, the upper gadolinium content of 12 wt.% is determined by the condition of the eutectic transformation Ж↔Al+Al 3 Gd occurring at a temperature of 645°C. In the hypereutectic alloy, the liquidus temperature increases sharply, large intermetallic inclusions appear, reducing the strength of the alloy.
Верхнее содержание вольфрама 10 мас. % обусловлено ограничением технологически удобной температуры плавления сплава в области 1000°С.The upper tungsten content of 10 wt.% is due to the limitation of the technologically convenient melting temperature of the alloy in the region of 1000°C.
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. %.Magnesium is one of the main strengthening components of aluminum alloys. With an increase in the magnesium content in the alloy, the mechanical strength of semi-finished products increases, but at the same time, the technological properties during subsequent pressure treatment deteriorate significantly. With a magnesium content in the alloy of more than 7 wt. %, the corrosion properties of the alloy deteriorate significantly, and with a content of less than 1 wt. %, the strength of the alloy is insufficient. In this regard, to ensure high mechanical and corrosion properties of the alloy, the magnesium content in the proposed alloy should be from 1.0 to 7.0 wt. %.
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).The lower hafnium content (0.4 wt.%) is justified by the low efficiency of its influence at lower concentrations, the upper content (4.0 wt.%) is justified by limitations on the melting temperature (about 1200°C).
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.Scandium is the most effective hardener of the Al-Mg alloy system; adding scandium to Al-Mg alloys can significantly increase its strength characteristics. When the scandium content in the alloy is less than 0.1 wt. %, all scandium is in a solid solution and its strengthening effect is insignificant. When its content is more than 0.1 wt. %, dispersed nuclei of rare-earth metal phases contribute to the precipitation of scandium from the solid solution, which leads to strengthening of the alloy. Increasing the scandium content in the alloy by more than 1.5 wt. % is impractical, since it can lead to the formation of coarse phases based on scandium and will not contribute to a further increase in strength.
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.Zirconium and titanium are hardeners in Al-Mg alloys, the greatest hardening effect is achieved with a zirconium or titanium content of 1.5 to 5.0 wt.%. When the zirconium or titanium content in this alloy is less than 1.5 wt.%, the hardening effect is insignificant and it is not possible to provide the required strength level. When the zirconium or titanium content is more than 5.0 wt.%, coarse primary intermetallics are formed and, as a consequence, the strength and plastic characteristics of the alloy decrease.
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.Copper and manganese contribute to the strengthening of the solid solution. The introduction of copper strengthens the alloy, but reduces the resistance to hot cracking during welding. The introduction of manganese also increases the strength, but can lead to a decrease in the solubility of elements from the PM group and contribute to the formation of complex intermetallic phases with a low strengthening effect. When the copper or manganese content is less than 0.05 wt. %, the strengthening effect is insignificant; when the copper or manganese content is more than 5.0 wt. %, coarse primary intermetallics are formed and, as a result, the strength and plastic characteristics of the alloy decrease.
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.The introduction of one element from the group containing cerium, lanthanum, yttrium, erbium, ytterbium, dysprosium, europium, lutetium and thulium into the alloy at a content of 0.003 wt. % to 0.75 wt. % makes it possible to increase the stability of the dispersed strengthening phases - the products of the decomposition of the supersaturated solid solution by preventing their coagulation and, accordingly, reducing the degree of softening of the alloy under thermomechanical action. Elements from the group of rare earth metals are insoluble in the aluminum matrix, and at a high concentration of one element from the group in the metal structure, coarse primary phases may appear, which leads to embrittlement of the material and a significant decrease in its mechanical properties. The positive effect of one element from the group containing cerium, lanthanum, yttrium, erbium, ytterbium, dysprosium, europium, lutetium and thulium is manifested when alloying to a content of no more than 0.75 wt.%. The introduction of the element at a content of less than 0.003 wt.% does not have a significant effect on the properties of the alloy.
Примеры реализацииExamples of implementation
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.The compositions of the claimed alloys were obtained in a medium-frequency (2500 Hz) induction furnace using a charge consisting of technical aluminum grade A7 and pre-obtained high-percentage Al-Gd and Al-W ligatures.
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».Al-10% Gd and Al-10% W ligatures were obtained in an induction melting unit comprising a power source with a VIP Power-Trak control system with a capacity of 200 kW/h, a frequency of 500-1000 Hz and a 350 kg capacity induction melting furnace with a graphite crucible. Chemical analysis of metal samples was performed using an AIL PERFORM X 2500 X-ray fluorescence spectrometer.
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%.Al-W ligature. The charge materials were technical grade aluminum (A7) and metallic tungsten. Aluminum was loaded, melted, and heated to 760°C. Then tungsten was added and the melt heating was increased to 1200°C with simultaneous stirring until the alloying element was completely dissolved. Pouring took place in a mold at 1215-1220°C with constant stirring to ensure uniform distribution of tungsten across the entire cross-section of the ingot. Irrecoverable losses (charge burn-off, slag) amounted to 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%.Al-Gd ligature. Technical grade aluminum (A7) and metallic gadolinium were used as charge materials. Aluminum was loaded, melted, and heated to a temperature of 760-780°C. Then gadolinium was added to liquid aluminum and stirred until the element was completely absorbed (the interaction of gadolinium and aluminum occurs with the release of heat, the metal temperature increased to 880-890°C). Then the melt was cooled to the pouring temperature (740°C). Pouring took place in a mold with constant stirring to ensure uniform distribution of gadolinium over the entire cross-section of the ingot. Irrecoverable losses (charge burn-off, slag) amounted to 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.To obtain alloys of the stated compositions, ingots of primary aluminum A7 were loaded into an industrial frequency induction furnace with a graphite crucible heated to 600°C, high-percentage ligatures, respectively Al-10% Gd or Al-10% W, were introduced into the liquid aluminum at a temperature of 670-700°C, the melt temperature was raised to 950-970°C, held for 10-15 minutes, after which the alloy was poured into the corresponding casting molds (to obtain ingots or cast blanks of the corresponding test samples). The calculation of the charge for obtaining an alloy of a specific composition was made taking into account the burn-off of gadolinium or tungsten, respectively.
Величина угара составляла 10-12%. Контроль температуры расплава осуществлялся термопарой погружения в составе автоматизированного комплекса.The amount of burn-off was 10-12%. The melt temperature was controlled by an immersion thermocouple as part of an automated complex.
Методика оценки радиационно-защитных свойств опытных сплавов.Methodology for assessing radiation-protective properties of experimental alloys.
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.To evaluate the radiation-protective properties of the claimed alloys, flat samples with a diameter of 50 mm and a thickness of 5 and 10 mm were used, cut from conically obtained ingots with a diameter of 55 (bottom) and 60 (top) mm, respectively.
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).Three types of sources with activity from 100 to 1000 kBq at the time of measurement were used to conduct the gamma-ray attenuation experiments. Data from the NuDat 3.0 database (Table 1) were used to describe the gamma-ray sources.
Сравнивались коэффициенты ослабления гамма-излучения μ из формулыThe gamma radiation attenuation coefficients μ from the formula were compared
I(t)=Io*ехр (-μ * t), где I(t)=Io*exp (-μ * t), where
I - плотность потокаI - flux density
μ, см-1 - коэффициент ослабления μ, cm-1 - attenuation coefficient
t, см - толщина образца.t, cm – sample thickness.
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).To assess the effect of tungsten and gadolinium on the neutron flux, a Cf-252 neutron source (neutron yield 1.52×105 neutrons/s at the time of measurement) and a KSAR1U.06 neutron search device were used. Polyethylene and cadmium were used as neutron moderators. The degree of influence of gadolinium and tungsten on the ability of aluminum to absorb neutrons was estimated based on the results of measurements of the neutron detector count rate (s -1 ).
В таблице 2 приведены составы полученных сплавов.Table 2 shows the compositions of the obtained alloys.
В таблице 3 приведены экспериментальные данные о радиационно-защитные свойствах полученных сплавов.Table 3 presents experimental data on the radiation-protective properties of the obtained alloys.
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.The table shows that all samples of the declared composition provide a significant reduction (reducing it more than 5 times compared to the prototype) in the count rate of the neutron detector. The high ability of tungsten to attenuate gamma radiation is confirmed.
Claims (6)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2840328C1 true RU2840328C1 (en) | 2025-05-21 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2584852B1 (en) * | 1985-07-11 | 1987-10-16 | Montupet Fonderies | NUCLEAR RADIATION ABSORBER |
| DE4308612C2 (en) * | 1993-03-18 | 1999-01-07 | Erbsloeh Ag | Process for producing a material with high heat resistance from an aluminum-based alloy and using the material produced in this way |
| EP1632955A4 (en) * | 2003-05-13 | 2008-10-29 | Nippon Light Metal Co | ALUMINUM-BASED NEUTRON ABSORBER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME |
| JP4316309B2 (en) * | 2003-06-18 | 2009-08-19 | 株式会社東芝 | Multi-layer neutron shielding plate |
| JP4451267B2 (en) * | 2004-10-21 | 2010-04-14 | 太平洋セメント株式会社 | Neutron absorbing material and method of manufacturing the same |
| EP3109332A1 (en) * | 2015-06-23 | 2016-12-28 | Airbus Defence and Space GmbH | Metal boride modified aluminium based material for the storage of spent nuclear fuel rods and production of the same |
| US20220328206A1 (en) * | 2021-01-19 | 2022-10-13 | Worcester Polytechnic Institute | Cold sprayed radiation shielding |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2584852B1 (en) * | 1985-07-11 | 1987-10-16 | Montupet Fonderies | NUCLEAR RADIATION ABSORBER |
| DE4308612C2 (en) * | 1993-03-18 | 1999-01-07 | Erbsloeh Ag | Process for producing a material with high heat resistance from an aluminum-based alloy and using the material produced in this way |
| EP1632955A4 (en) * | 2003-05-13 | 2008-10-29 | Nippon Light Metal Co | ALUMINUM-BASED NEUTRON ABSORBER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME |
| JP4316309B2 (en) * | 2003-06-18 | 2009-08-19 | 株式会社東芝 | Multi-layer neutron shielding plate |
| JP4451267B2 (en) * | 2004-10-21 | 2010-04-14 | 太平洋セメント株式会社 | Neutron absorbing material and method of manufacturing the same |
| EP3109332A1 (en) * | 2015-06-23 | 2016-12-28 | Airbus Defence and Space GmbH | Metal boride modified aluminium based material for the storage of spent nuclear fuel rods and production of the same |
| US20220328206A1 (en) * | 2021-01-19 | 2022-10-13 | Worcester Polytechnic Institute | Cold sprayed radiation shielding |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Курбаткина Е.И. Исследование и разработка технологии плавки и литья слитков бор-содержащих композиционных алюминиевых сплавов с целью изготовления листов радиационно-защитного назначения. Автореферат, М., 2014. BELOV Nikolai et al. Phase Formation And Mechanical Properties Of Al-Mg-Mn-Ti-B-Zr-Sc Composite Material // Light Metals, The Minerals, Metals & Materials Society, 2014, p. 1367-1371. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20080050270A1 (en) | Neutron Absorption Effectiveness for Boron Content Aluminum Materials | |
| KR100422208B1 (en) | Aluminum composite material, manufacturing method therefor, and basket and cask using the same | |
| Choi et al. | Fabrication of Gd containing duplex stainless steel sheet for neutron absorbing structural materials | |
| CN104313400B (en) | A kind of Boral based composites and neutron absorber plate | |
| Lee et al. | Preliminary study on FeGd alloys as binary alloys and master alloys for potential spent nuclear fuel (SNF) application | |
| Zhang et al. | Gd effect on microstructure and properties of the Modified-690 alloy for function structure integrated thermal neutron shielding | |
| EP0225226A1 (en) | Aluminum alloy with superior thermal neutron absorptivity | |
| JP5259515B2 (en) | Neutron shielding material, manufacturing method thereof and spent fuel cask | |
| RU2636781C2 (en) | High-strength thermally non-strengthened aluminium alloy and method for its production | |
| RU2840328C1 (en) | Structural radiation-protective aluminum alloy | |
| US4865645A (en) | Nuclear radiation metallic absorber | |
| RU2233906C1 (en) | Austenite steel | |
| RU2538789C1 (en) | Production of boron-bearing alumomatrix composite | |
| RU2509818C1 (en) | Method of making composite material | |
| Smidt et al. | Effect of residual elements on radiation strengthening in iron alloys, pressure vessel steels, and welds | |
| Xu et al. | Phase equilibria of the Mg–Gd–Zn system at 500° C | |
| CN115011839A (en) | A kind of titanium gadolinium alloy material for nuclear shielding, its preparation method and application | |
| Reda et al. | Novel metallic Bi-Pb–Cd-Ag alloys for shielding against neutrons and gamma rays | |
| EP3611283A2 (en) | Aluminum alloy material, method for producing aluminum alloy material, basket for cask, and cask | |
| CN114574747B (en) | Low-activation anti-irradiation and corrosion-resistant high-entropy alloy for nuclear reactor and preparation method thereof | |
| CN115449668A (en) | A kind of preparation method of dysprosium-rich nickel-based alloy used for nuclear shielding material | |
| JPH01168833A (en) | Boron-containing titanium alloy | |
| Mizia et al. | Corrosion performance of a gadolinium containing stainless steel | |
| Ding et al. | Design, fabrication and mechanical properties of a novel Al-5Cu-6Gd-10Bi alloy potentially used for shielding both thermal neutron and γ-ray | |
| Xu et al. | Combined effects of ultrasonic vibration and FeCoNiCrCu coating on interfacial microstructure and mechanical properties of Al/Mg bimetal by compound casting |