X射线屏蔽用钨合金大制品的微观结构和机械性能分析

赵冬冬

摘要：本文重点探讨钨合金材质的X射线屏蔽器，利用前沿制作及检测手段，加工出的屏蔽件，微观结构总体表现较优，但在个别位置会有不均匀的现象，以及小尺寸的残余气孔。利用超声波探伤技术，验证样本部件的微观结构品质。制作的钨合金部件符合屏蔽射线需要，而且通过模拟试验，保证运转期间的安全。

关键词：钨合金；机械性能；射线屏蔽

引言：钨合金材质的密度趋近于纯钨，但其展现出的机械性能相对较优，因此被制作成各类形状且规格尺寸的构件。彻底致密化钨合金构件是通过压制粉末得到，并利用液相烧结加工。在厚度一致的条件下，钨合金材质对应射线的屏蔽效果和铅相比更优。因而，钨合金可进行大范围的应用。

一、高密度钨合金

我国为全球产钨大国，但因为当前各国及地区在资源保护方面的管理逐渐加强，特别在2012年至今，国内对钨的出口管控也有所强化，造成出口量较少，世界范围内的钨供应量下降。在该背景下，此种不能再生的资源，难以达到完全共享的格局。高密度钨合金则在钨原料的基础上，融入现代化技术手段，和传统的资源类产品相较，出口限制标准更低。所以，高密度钨合金能借助自身加工性、可塑性等优势，在钨产品领域中，取得可预见的优势。

在诸多领域中选用钨合金材质的决定性因素体现在密度参数上，和铅对比分析，研究钨合金的特性。铅实践应用中，均要借助合金化处理，才能达到所需强度及其他性能。虽然铅经过合金化处理后，但在施加一定应力条件下，容易发生变形，即便在常规室环境下此方面的稳定性依旧不佳。因为铅强度不大，并且形成化合物有毒，使得其在多项应用上都有限制。铅类合金所用原料价格不高，熔点偏低，成型难度低，加工造价少。但铅合金在绿色环保上无能为力。钨合金拥有较优的防辐射效果与机械性能，而且耐腐蚀能力较高，价格低廉。同时，钨合金弹性刚度表现良好，结构较为稳定，不易变形。回收处理难度不大，能减少全生命周期的成本及材料占用成本。其中，钨合金的防辐射屏蔽作用，对多种类型的辐射均能发挥效用。而且以高密度钨合金为主的屏蔽件，不用具备极强的机械性能，仅需保障运转与常规使用时，自身结构无明显变化即可。

高密度钨合金的所用原料为：把钨、镍、铁的粉末混合起来，假设产品在磁性方面没有明确标准，铁粉可使用铜粉替代。具体操作步骤是先进行混料，经过真空干燥处理后，压制成型。组织预烧脱脂，加工成型，最后进行真空烧结。此时需要开展一次品质检测，确认合格后，成为毛坯产品，开始后续的加工处理，如电镀、锻造等，得到精磨产品。高密度钨合金的优势性能主要体现在：比重相对较高；抗拉强度在 之间，并且吸收射线的效果较优，该项性能超过铅 左右，导热系数高，能达到钢材料的五倍左右；热膨胀系数不大，是钢或铁材料的 左右，并能够导电。支持焊接处理及机械加工。

二、钨合金屏蔽器

对于屏蔽X射线，通常运用原子序数及密度偏大的材料，通过吸收射线，呈现出防护的效果。钨合金在该方面的运用，相对于铅材料，拥有无污染、高密度及强度等优势。并且处于同等屏蔽水平的状态下，采用钨合金屏蔽X射线，屏蔽件的自重与地基更小，可用场所范围更加广泛。

钨合金的含钨量在 之间，并加入较少的Ni、Co等混合成合金，密度一般在 。熔点高达 ，屈服强度是 ，原子量是 。钨合金屏蔽器包括主体与塞子，在钨合金密度达到 时，二者壁厚可只有 。主体属于圆柱体，径长与高度都在 左右，其内部留有腔体，支放入容器，配备钨合金材质的塞子。屏蔽件自重较大，为方便转移，需衡量机械性能，包括强度及冲击韧性^[1]。

三、钨合金的微观结构与机械性能分析

（一）制造实验

基于装置屏蔽设计，所用钨合金材料密度应达到 左右，并要注重延展水平。钨含量处于 区间内的钨合金表现相对较好。把钨、镍以及铁的粉末，根据 的比例充分混合，持续一天的时间。把混合粉末放在准备好的橡胶包套中，进行振实处理后，将其密封，冷等静压机内完成压制，设置压力参数是 ，下一步开始液相烧结操作。通常条件下，钨合金本身能利用液相烧结制成，所以，适宜烧结曲线在把控密度、变形及质量等方面，起到关键性的影响作用力。为选出最佳烧结曲线，先进行试样制作，径长与高度只有 。同时，部件中结构不匀称及裂纹等病害，都能降低屏蔽水平。所以，为评估钨合金微观结构及机械性能，选用超声波的探伤技术，实施全面无损检测，也检验超声探伤技术的可用性。

（二）结果分析

试样部件质量是 ，通过精密仪器测量，该部件的整体密度是 。组织跌落试验，仿真转运期间可能会遭遇的安全情景。试验中，跌落高度分别设置为 、 、 以及 ，让钨合金部件进行自由落体，直击到水泥及钢质的表面。试验操作后，试样和两种地面的冲击位置都未出现损坏，但会留下接触后的痕迹。使用超声波探伤装置，检测钨合金试样内部均匀性与缺陷，为保证所得结果的准确性，利用扫描电镜与密度检测仪器等手段，证实探伤检测结果。选择纵向波进行垂直射入，试验灵敏性是借助径长尺寸为

的水平孔进行校正，类似于对照组。通过检测发现，钨合金试样部件内无尺寸过大的气孔。但在个别位置发现强度不高及不稳定峰值的数据信号，此种现象说明钨合金部件中有不均匀的情况。

为一探究竟，把钨合金部件直接切开，分成九个 的小样本，各自的检测密度值分别是：一号为 ；二号是 ；三号为 ；四号是 ；五号是 ；六号是 ；七号是 ；八号是 ；九号为 。根据密度检测数据结果，对比各自微观结构，在密度最小的四号样本上，有颗粒堆积的情况，反观密度最大的六号样本，属于常规的钨合金微观结构。通过扫描电镜，比较在超声波探伤技术下显示出的不均匀与正常位置，前者强度、反射波数量多及峰值不稳定的样本点，钨颗粒内液相不多。应用高倍数 查看，内部颗粒富集的样本位置，存在残余气孔，由此能够说明，在此颗粒内缺少液相，容易干扰到烧结期间致密化效果。

在研究机械性能中，小样本和 、普通径长规格是 在热处理前的棒材加以对比。试验样本机械性能低于棒材，该种结果是因为样本内部不均匀以及存在残余气孔导致的。同时，热处理脱氢后，也能增强材料的机械性能，如延伸度。但实践中，热处理操作环节需要付出较大的成本，如果单纯进行射线屏蔽，小样本已经满足使用需要。其密度在 区间内，抗拉强度为 ，延伸率是 ，硬度是 ，冲击韧性为 。在开发制作试验样本期间，钨合金的屏蔽件主体及塞子均比较成功。虽然应用超声波探伤技术，找出部件中的缺陷，如气孔，但并不严重，在允许的范围内^[2]。

结束语：综合上文试验结果，首先，成功制作出大规格、高密度钨合金材质屏蔽射线的产品。其次，借助跌落试验，可检验屏蔽件在转运期间，遭遇突发状况后的情况，试验样本自身没有受损。其三，应用扫描电镜及超声波探伤手段，可发现试样中的缺陷问题，有气孔及不均匀的问题，但不影响其使用。

参考文献：

[1]石理永,高璐.12000居里钴-60远距离治疗机γ射线屏蔽改进设计[J].电子世界,2019,(20):166-167.

[2]魏存峰,孙晋川,唐浩辉,等.钨合金的X射线屏蔽性能模拟分析与实验验证[J].中国体视学与图像分析,2019,(01):9-15.