CN115672988A - 一种辐射屏蔽用铝/钽复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种辐射屏蔽用铝/钽复合材料及其制备方法，所述复合材料结构为叠层结构，依次包括2A12铝合金层、1系铝合金层、钽层以及1系铝合金层。该复合材料为连续复合，不需额外做支撑连接结构，使得防护件结构紧凑，同时减轻了防护结构的重量。且采用轧制复合技术制备形成稳定的冶金结合界面，避免了在太空热循环下发生胶的老化导致铝、钽复合界面分离的情况。

Description

一种辐射屏蔽用铝/钽复合材料及其制备方法

技术领域

有色金属材料加工技术领域，具体涉及一种辐射屏蔽用铝/钽复合材料及其制备方法。

背景技术

航天技术是国之重器，是决定国家发展未来的重大战略。航天器是航天技术的核心。由于卫星会遭遇各种空间带电粒子的辐射，电子器件的空间抗辐射能力是影响导航、通讯等中高轨卫星及深空探测卫星发展的一个重要因素。目前，电子器件遭遇的总剂量和位移损伤效应的防护主要靠被动屏蔽。

目前该领域的屏蔽防护主要采用单质2A12铝合金，但其防护效率低下，只能通过增加厚度来提高防护效果，质量增大导致发射成本上涨，难以满足我国导航、通讯等中高轨卫星及深空探测卫星的抗辐射加固需求。

发展基于复合材料的空间环境电子器件防护结构技术可以大大节省卫星发射成本和元器件使用成本。研究表明在达到相同辐射剂量防护水平下复合材料比单质铝材料占用的质量可以节省30％。要实现低质量成本、高效率的电子器件防护技术必须采用复合材料。高能电子在物质中的能量损失方式主要包括电离损失和辐射损失，根据Bethe公式，不同原子序数的屏蔽材料对电子的屏蔽效果也不同，单位面密度的靶物质对电子的阻止本领近似正比于Z/A(Z为原子序数，A为相对原子质量)，同时电子还受到原子核的弹性散射，偏离入射方向，相当于增加了屏蔽厚度，弹性散射正比于Z2/A。低Z材料的Z/A值要大于高Z材料，因此对电子的电离能量损失更高，而由于散射作用高Z材料对电子的辐射能量损失更高。因此，对于高能电子辐射防护来说，在低Z材料后面配置一定厚度的高Z材料，如金属铝合钽，可大大优化高能电子的屏蔽效果。

然而，金属铝与钽的性能差别显著，特别是熔点和热加工温度范围差别巨大(铝的熔点660℃，钽的熔点2995℃，热膨胀系数相差约4倍)，导致加工变形及热处理方面存在较大技术难度。同时，由于空间应用环境的特殊性，冷热交替循环导致异种金属因热膨胀系数差异使复合界面开裂或分层的问题。

目前，国内在铝钽及相近成分的复合材料制备技术方面开展了一系列的研究工作。比如，某专利公布了一种轻质高强Mg-Ta复合金属板材及其室温轧制成形方法，其采用室温轧制工艺制备了Mg-Ta复合金属板材，轧制道次中间进行了低温退火处理和高温扩散连接处理，热处理工艺繁杂，并且制备的复合板边部裂纹严重，并且由于Mg为密排六方结构，本身室温塑性差，变形能力低，使得此体系复合材料进一步加工成型变得困难，离实际应用还存在一定距离。某专利公开了一种屏蔽型镁钽多层复合板的制备方法，其在镁(镁合金)、钽(钽合金)堆叠组坯后还需在包套中抽真空、封焊，热轧成形，对生产设备要求较高，不利于进行规模化工业生产。某专利公布了一种钛/钽复合板的制备方法及其产品，其在加热和保温过程中均进行惰性气氛保护，生产成本较高，并且钛或钛合金材料价格较高，工艺性能差，进一步加工、焊接比较困难，很难在实际中大规模应用。

发明内容

为了解决本领域存在的上述不足，本申请旨在提供一种辐射屏蔽用铝/钽复合材料及其制备方法。

根据本申请的一个方面，本申请提供一种辐射屏蔽用铝/钽复合材料的制备方法，包括：

分别将2A12铝合金板、钽板以及1系铝合金箔材表面进行打磨处理；

将打磨后的1系铝合金箔材分别置于钽板上下两侧，获得组装坯料；

将所述组装坯料进行冷轧、消应力退火处理，得复合组元；

将消应力退火处理后的复合组元与2A12铝合金板进行二次组坯；

对所述二次组坯加热后进行轧制，空冷至室温后得复合板。

根据本申请的一些实施例，所述冷轧温度为20-35摄氏度，轧制速度为1m/min以内，一道次轧制，控制变形量为20％～30％。

根据本申请的一些实施例，所述消应力退火处理的温度为240℃～260℃，保温时间0.5～2h；

所述保温时间完成后迅速取出，空冷至室温后再进行二次组坯。

根据本申请的一些实施例，所述二次组坯加热温度为300℃～400℃，保温时间为20min～60min。

根据本申请的一些实施例，所述热轧采用双辊轧机或四辊轧机，轧制速度为5～20m/min，单道次轧制的压下量为30～50％。

根据本申请的另一方面，还提供一种辐射屏蔽用铝/钽复合材料，为叠层结构复合材料；

所述叠层结构依次包括：2A12铝合金层、1系铝合金层、钽层以及1系铝合金层。

根据本申请的一些实施例，所述2A12铝合金层的厚度为1.2～5.0mm；

所述钽层的厚度为0.3～1.2mm；

所述1系铝合金层的厚度为0.02～0.05mm。

根据本申请的一些实施例，所述钽层为纯钽或钽钨合金。

根据本申请的一些实施例，所述钽钨合金为Ta2.5W、Ta7.5W或Ta10W；

可选地，所述纯钽或钽钨合金中不可避免的杂质总量小于0.5％。

根据本申请的一些实施例，所述1系铝合金为牌号1050、1060或1100。

与现有技术相比，本申请至少包括如下有益效果：

根据本申请实施例，提供一种辐射屏蔽用铝/钽复合材料，其结构为叠层结构，依次包括2A12铝合金层、1系铝合金层、钽层以及1系铝合金层。该复合材料与目前的单质金属材料相比，其抗高能电子辐射防护性能稳定、制备成本低廉、容易维护、且屏蔽效果优于单质金属材料，能够减少电子器件的质量及成本。

由于热轧时板坯加热温度会超过300℃，加热形成的氧化层在轧制过程中会对界面结合产生不利影响，大大降低复合板的结合性能。而冷轧时由于冷塑性变形的加工硬化现象导致材料的塑韧性下降、脆性增加导致易出现边部裂纹问题。因此，本申请的复合材料，在钽层两侧均设置1系铝合金作为保护层，可避免钽层在250℃温度以上时发生氧化，可避免钽层在轧制过程中出现裂纹等导致的机械性能降低问题。

本申请的复合材料为连续复合，不需额外做支撑连接结构，使得防护件结构紧凑，同时减轻了防护结构的重量；并且，本申请采用轧制复合技术制备形成稳定的冶金结合界面，避免了在太空热循环下发生胶的老化导致铝、钽复合界面分离的情况。

本申请首次提出了冷轧+热轧的方式将铝和钽两种材料复合到一起，成功制备出了界面结合性能优异的铝钽复合材料。既避免了单独采用冷轧复合的冷轧板板型差、易出现裂纹、加工硬化等问题，同时也解决了钽或钽钨板加热表面氧化的问题；既保留了在冷轧步骤中产生足够的变形，可提高2A12和Ta的结合效果，又实现了热轧后的复合界面元素扩散距离更大，相较纯粹的冷轧板其界面具有更好的冶金结合。

附图说明

图1为本申请示例实施例的复合材料制备工艺流程图。

图2为本申请示例实施例的辐射屏蔽用铝/钽复合材料结构示意图。

图3为本申请示例实施例的扫描电镜照片。

图4为本申请示例实施例的界面扩散宽度图。

图5为本申请对比例1的样品照片。

图6为本申请对比例2的样品照片。

图7为本申请对比例4的样品照片。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

特别需要指出的是，针对本申请所做出的类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本申请。相关人员明显能在不脱离本申请内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本申请技术。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请如未注明具体条件者，均按照常规条件或制造商建议的条件进行，所用原料药或辅料，以及所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

下面对本申请进行详细说明。

【本申请的辐射屏蔽用铝/钽复合材料】

本申请的复合材料为叠层结构复合材料，依次包括2A12铝合金层、1系铝合金层、钽层以及1系铝合金层。

其中，所述2A12铝合金层的厚度为1.2～5.0mm；

所述钽层的厚度为0.3～1.2mm；

所述1系铝合金层的厚度为0.02～0.05mm。

进一步的，所述钽层为纯钽或钽钨合金，所述钽钨合金为Ta2.5W、Ta7.5W或Ta10W，其中纯钽或钽钨合金中不可避免的杂质总量小于0.5％。

进一步的，所述1系铝合金为牌号1050、1060或1100。

【本申请的辐射屏蔽用铝/钽复合材料的制备方法】

本申请的辐射屏蔽用铝钽复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)对2A12铝合金板、钽板以及1系铝合金箔材表面进行打磨除油处理，去除表面的氧化层、油污或其他污物；

(2)将两张1系铝合金箔材分别叠放置于钽板的上下侧，组装成坯；

(3)将步骤(2)中组装的坯料在室温下进行轧制，得到一份复合组元；

(4)将步骤(3)得到的复合组元进行消应力退火处理；

(5)将热处理后的复合组元与2A12铝合金板进行二次组坯；

(6)加热后对二次组坯的坯料进行轧制，空冷至室温后得到复合板产品。

所述步骤(1)中采用传统机械打磨的方式去除2A12铝合金板、钽板以及1系铝合金箔材表面的氧化层或其他污物，除油方式为酒精或丙酮清洗后烘干，打磨除油后板坯表面光亮，无肉眼可见的裂纹、夹渣、划痕、油斑等，且表面不得残留打磨产生的碎屑。

进一步地，所述步骤(2)中上下两张1系铝合金箔材单边长度比钽板大4～5mm，单边宽度比钽板大1～2mm。

进一步地，所述步骤(3)中轧制过程在室温下进行，轧制速度控制在1m/min以内，一道次轧制，控制变形量为20％～30％。

由于在步骤(3)冷轧变形过程中，变形量大并且温度较低，会产生较大的内应力。内应力不仅会对材料强度、塑性造成影响，而且后续加工后由于内应力释放会导致材料变形。因此，需对上述冷轧后的复合组元进行消应力退火处理。

进一步地，所述步骤(4)中消应力退火处理的温度为240℃～260℃，保温时间0.5～2h，保温时间完成后迅速取出，空冷至室温。

进一步地，若步骤(3)中室温轧制得到的复合组元板型出现弯曲现象，在步骤(4)中消应力退火出炉后，将复合组元进行矫直。

进一步地，所述步骤(5)中，按照步骤(1)的相关方法对热处理后的复合组元进行打磨除油处理，确保打磨除油后表面光亮，无肉眼可见的裂纹、夹渣、划痕、油斑等，且表面不得残留打磨产生的碎屑。

进一步地，所述步骤(6)中，板坯加热温度为300℃～400℃，保温时间为20min～60min；

可选地，所述步骤(6)中，板坯加热温度为350℃，保温时间为60min。

如加热温度过低，变形抗力会增大，会出现板型差、裂纹等问题。若温度过高则会导致晶粒过分粗大，影响产品性能，严重者会导致过烧，即一些低熔点共晶或晶界熔化，产品报废。

进一步地，所述步骤(6)热轧的轧制采用双辊轧机或四辊轧机，单道次轧制的压下量为30～50％，轧制速度控制在5～20m/min；

可选地，单道次压下量为40％，轧制速度10m/min。

下面结合具体实施例对本申请进行详细说明。

本申请实施例中所用原料2A12铝合金材料和1060纯铝包裹层的化学成分应符合国家标准GB/T3190-2020中的规定；纯钽的化学成分应符合YS/T751-2011中的规定；钽钨(Ta2.5W)的化学成分应符合YS/T751-2011中的规定。

实施例1

原料准备：

复合材料制备：

(1)将上述原料表面用钢丝刷进行打磨处理以去除材料表面的氧化膜，用丙酮擦拭材料表面的油污并烘干，并用压缩空气将材料表面残留的碎屑清理干净。

(2)将上述处理后的两件1060铝合金箔材分别叠放至于纯钽板的上下两侧，组装成坯。

(3)在室温下对上述组装好的坯料进行轧制，轧制速度为1m/min，轧制压下量为20％，一道次轧制，轧制后得到一份铝/钽/铝的复合组元，且钽被完全包裹在铝箔内部。

(4)将冷轧后的复合组元进行消应力退火处理，其加热温度为250℃，保温时间1h，保温时间完成后将其迅速取出，放置在空气中冷却至室温。

(5)按照步骤(1)的方法将上述热处理后的复合组元表面打磨后与2A12铝合金板进行二次组坯。

(6)将上述二次组坯的坯料送至加热炉里加热，加热温度为350℃，保温时间60min，加热完成后送入轧机进行轧制；采用双辊轧机或四辊轧机，单道次轧制的压下量为40％，轧制速度10m/min，轧制后空冷至室温。

性能测试：对制备的铝/钽复合板进行力学性能测试，界面剪切强度平均值为76.0MPa，抗拉强度平均值为482.5MPa，能够达到星用器件的强度要求。

实施例2

原料准备：

复合材料制备：

(1)将上述原料表面用钢丝刷进行打磨处理以去除材料表面的氧化膜，用丙酮擦拭材料表面的油污并烘干，并用压缩空气将材料表面残留的碎屑清理干净。

(2)将上述处理后的两件1050铝合金箔材分别叠放至于钽钨板的上下两侧，组装成坯。

(3)在室温下对上述组装好的坯料进行轧制，轧制速度为0.8m/min，轧制压下量为25％，一道次轧制，轧制后得到一份铝/钽/铝的复合组元，且钽被完全包裹在铝箔内部。

(4)将上述冷轧后的复合组元进行消应力退火处理，其加热温度为255℃，保温时间1.2h，保温时间完成后将其迅速取出，放置在空气中冷却至室温。

(5)按照步骤(1)的方法将上述热处理后的复合组元表面打磨后与2A12铝合金板进行二次组坯。

(6)将上述二次组坯的坯料送至加热炉里加热，加热温度为360℃，保温时间60min，加热完成后送入轧机进行轧制，采用双辊轧机或四辊轧机，单道次轧制的压下量为50％，轧制速度12m/min，轧制后空冷至室温。

性能测试：对制备的铝/钽复合板进行力学性能测试，界面剪切强度平均值为77.1MPa，抗拉强度平均值为491.3MPa，能够达到星用器件的强度要求。

对比例1

现有技术的一种2A12/中间层/Ta三层复合材料

(1)将2A12铝合金、1050合金、钽层材料分别进行酸碱处理，除去表面油污等；

(2)将三层材料按照2A12铝合金、1050合金、钽的顺序叠放在一起，并点焊固定；

(3)将点焊后的材料通过冷轧机进行轧制复合，轧制变形量为45％；轧制温度：室温；轧制速度：1m/min；

(4)将复合后的材料进行500℃退火热处理，保温50h，再进行矫平、切边。

该方法制备的复合材料，由于钽层未进行保护，在500℃退火热处理过程中发生了严重氧化，50h后钽表面形成了大量的白色氧化物颗粒，导致复合板界面发生分离，请见附图5。

对比例2

原料准备(与实施例1相同)：

复合材料制备：

(1)将上述原料表面用钢丝刷进行打磨处理以去除材料表面的氧化膜，用丙酮擦拭材料表面的油污并烘干，并用压缩空气将材料表面残留的碎屑清理干净。

(2)将上述处理后的原料依次按照2A12铝合金层、1060铝合金箔材、钽层以及1060铝合金箔材的顺序组装成坯。

(3)在室温下对上述组装好的坯料进行轧制，轧制速度为1m/min，轧制压下量为20％，一道次轧制，轧制后得到一份铝/钽/铝的复合组元，且钽被完全包裹在铝箔内部。

(4)将冷轧后的复合组元进行消应力退火处理，其加热温度为250℃，保温时间1h，保温时间完成后将其迅速取出，放置在空气中冷却至室温。

该方法制备的复合材料，边部出现了大面积的裂纹，对产品的使用性能产生严重影响，请见附图6。

对比例3

原料准备(与实施例2相同)：

复合材料制备：

(1)将上述原料表面用钢丝刷进行打磨处理以去除材料表面的氧化膜，用丙酮擦拭材料表面的油污并烘干，并用压缩空气将材料表面残留的碎屑清理干净。

(2)将上述处理后的原料依次按照2A12铝合金层、1050铝合金箔材、钽钨板Ta2.5W以及1050铝合金箔材的顺序组装成坯。

(3)将上述坯料送至加热炉里加热，加热温度为360℃，保温时间60min，加热完成后送入轧机进行轧制，采用双辊轧机或四辊轧机，单道次轧制的压下量为50％，轧制速度12m/min，轧制后空冷至室温。

该方法制备的复合材料，由于没有冷轧步骤，直接进行热轧导致1系合金并未对钽层起到保护作用，无法避免钽层的氧化，因此出现与对比例1相同的问题。

对比例4

原料准备(与实施例1相同)：

复合材料制备：

(1)将上述原料表面用钢丝刷进行打磨处理以去除材料表面的氧化膜，用丙酮擦拭材料表面的油污并烘干，并用压缩空气将材料表面残留的碎屑清理干净。

(2)将上述处理后的两件1060铝合金箔材分别叠放至于纯钽板的上下两侧，组装成坯。

(3)在室温下对上述组装好的坯料进行轧制，轧制速度为1m/min，轧制压下量为20％，一道次轧制，轧制后得到一份铝/钽/铝的复合组元，且钽被完全包裹在铝箔内部。

(4)按照步骤(1)的方法将上述复合组元表面打磨后与2A12铝合金板进行二次组坯。

(5)将上述二次组坯的坯料送至加热炉里加热，加热温度为350℃，保温时间60min，加热完成后送入轧机进行轧制；采用双辊轧机或四辊轧机，单道次轧制的压下量为40％，轧制速度10m/min，轧制后空冷至室温。

该方法制备的复合材料，由于未经过消应力热处理，在热轧之后板型发生了比较大的弯曲，需要再增加一道矫直工序，增加了生产成本，请见附图7。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种辐射屏蔽用铝/钽复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

分别将2A12铝合金板、钽板以及1系铝合金箔材表面进行打磨处理；

将打磨后的1系铝合金箔材分别置于钽板上下两侧，获得组装坯料；

将所述组装坯料进行冷轧、消应力退火处理，得复合组元；

将消应力退火处理后的复合组元与2A12铝合金板进行二次组坯；

对所述二次组坯加热后进行热轧，空冷至室温后得复合板。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷轧温度为20-35℃，轧制速度为1m/min以内，一道次轧制，控制变形量为20％～30％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述消应力退火处理的温度为240℃～260℃，保温时间0.5～2h；

所述保温时间完成后迅速取出，空冷至室温。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述二次组坯加热温度为300℃～400℃，保温时间为20min～60min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热轧采用双辊轧机或四辊轧机，轧制速度为5～20m/min，单道次轧制的压下量为30～50％。

6.一种辐射屏蔽用铝/钽复合材料，其特征在于，为叠层结构复合材料；

所述叠层结构依次包括：2A12铝合金层、1系铝合金层、钽层以及1系铝合金层。

7.根据权利要求6所述的复合材料，其特征在于，所述2A12铝合金层的厚度为1.2～5.0mm；

所述钽层的厚度为0.3～1.2mm；

所述1系铝合金层的厚度为0.02～0.05mm。

8.根据权利要求7所述的复合材料，其特征在于，所述钽层为纯钽或钽钨合金。

9.根据权利要求8所述的复合材料，其特征在于，所述钽钨合金为Ta2.5W、Ta7.5W或Ta10W；

优选地，所述纯钽或钽钨合金中不可避免的杂质总量小于0.5％。

10.根据权利要求7所述的复合材料，其特征在于，所述1系铝合金为牌号1050、1060或1100。

Images