辐射屏蔽覆盖物和制造方法

技术领域

本公开内容涉及用于辐射环境中的部件的辐射屏蔽，尤其涉及用于阀控制器或阀组件的外壳的辐射屏蔽覆盖物及其制造方法。

背景技术

核电站在各种处理操作中使用许多众所周知的阀组件和阀控制器。特别地，存在在操作期间暴露于辐射的各种组件或部件，例如包括在阀控制器的外壳内的电子部件。辐射会降低这些组件在辐射环境中的使用寿命。此外，用于外壳或其他部件的商业制造材料通常由密度较低的材料构成，导致辐射屏蔽能力较差。因此，已经制造出需要高制造电阻的核应用中的部件，但它们价格昂贵且需要复杂的制造工艺。

发明内容

根据第一示例性方面，用于阀控制器或阀组件的一部分的辐射屏蔽覆盖物包括包含基材和被注入到基材内的第二材料的层。基材具有第一密度并且第二材料具有高于第一密度的第二密度，从而增加了层的密度。该层适于设置在阀控制器或阀组件的壳体的表面上方，使得该层阻止辐射到达设置在壳体内的部件。

根据第二示例性方面，阀控制器包括壳体，该壳体具有外表面和设置在壳体的外表面上的辐射屏蔽覆盖物。辐射屏蔽覆盖物包括包含金属基材和被注入到金属基材内的第二材料的层。金属基材具有第一密度并且第二材料具有高于第一密度的第二密度，从而增加了层的密度。如此配置，辐射屏蔽覆盖物阻止辐射到达设置在壳体内的部件。

根据本公开的另一个示例性方面，一种增材制造辐射屏蔽覆盖物的方法包括：提供单独且分开地供给通过喷嘴的至少两个分立的供给管线，并且同时通过至少两个分立的供给管线中的第一供给管线输送第一材料并通过至少两个分立的供给管线中的第二供给管线输送第二材料，第二材料的密度高于第一材料的密度。该方法还包括提供离开喷嘴的至少两个分开的材料喷射流，该至少两个分开的喷射流包括具有第一材料的第一喷射流和具有第二材料的第二喷射流，并且在离开喷嘴后将至少两个分开的材料喷射流混合。

进一步根据前述示例性方面中的任一个，辐射屏蔽覆盖物、阀控制器或制造方法还可以包括以下优选形式中的任一种或多种。

在一些优选的形式中，该层可以是第一层，并且辐射屏蔽覆盖物还可以包括仅包含基材的第二层，以及包含基材和被注入到基材内的第二材料的第三层。第二材料的密度可以高于基材的密度，并且第二层可以设置第一层上并位于第一层与第三层之间。

在其他优选形式中，第二层可以为包括辐射陷阱的纯金属孔隙。

在其他优选形式中，第二材料可以包括钽或钨中的一种，并且该层可以增加壳体的表面的材料的抗辐射性和壳体的表面的厚度。

在其他优选形式中，基材可以包括金属粘合剂或不锈钢材料中的一种，并且第二材料可以包括多个陶瓷颗粒、多个钽颗粒或多个钨颗粒中的一种。

在其他形式中，基材可包括金属粘合剂，并且第二材料可包括多个陶瓷颗粒。

在其他形式中，阀控制器还可以包括耦接到壳体并具有外表面的盖，并且盖和壳体可以形成外壳。此外，辐射屏蔽覆盖物可以设置在盖的外表面上，从而防止辐射到达设置在外壳内的电子部件。

在其他形式中，阀控制器还可以包括横向X轴、纵向Y轴、和垂直于横向X轴和纵向Y轴两者的Z轴。辐射屏蔽覆盖物可以沿Z轴穿透壳体和盖中的一个或多个。

在其他优选形式中，该方法还可以包括引导第一供给管线和第二供给管线会聚在与喷嘴的出口部分相邻设置的公共交汇点处。

在其他优选形式中，该方法可以包括经由至少两个分开的喷射流将第一材料和第二材料分别沉积到熔池以进行混合，保持第一材料和第二材料彼此分开，直到第一材料和第二材料离开喷嘴并到达熔池。

在其他形式中，同时通过至少两个分立的供给管线中的第一供给管线输送第一材料并且通过至少两个分立的供给管线中的第二供给管线输送第二材料，第二材料的密度高于第一材料的密度可以包括：同时通过第一供给管线输送包括金属粘合剂或不锈钢中的一种的第一材料并通过第二供给管线输送包括多个陶瓷颗粒或钽中的一种的第二材料。

在其他形式中，该方法还可以包括：在离开喷嘴后混合至少两个分开的材料喷射流之后，形成包括第一材料和嵌入在第一材料内的第二材料的第一层。

在其他形式中，该方法还可以包括：形成设置在第一层上的第二层和设置在第二层上的第三层，其中，形成第二层可以包括在第二层中仅沉积第一材料，并且，以与第一层相同的方式形成具有与第一层相同的材料的第三层。

在其他优选形式中，该方法还可以包括改变第一材料和第二材料中每个的进料速率，以控制第一材料与第二材料的比率。

这些方面中的任何一个或多个可以单独考虑和/或以任何功能上适当的方式彼此组合。此外，这些方面中的任何一个或多个还可以包括和/或在下文描述的可选示例性布置和/或特征中的任何一个或多个中实施。在详细检查附图和以下描述后，这些和其他方面、布置、特征和/或技术效果将变得显而易见。

附图说明

被认为是新颖的本公开内容的特征在所附权利要求中具体阐述。通过参考以下结合附图的描述可以最好地理解本公开内容，其中在几幅图中相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1是包括本公开内容的辐射屏蔽覆盖物的阀控制器或阀组件的示意图；

图2A是具有本公开内容的辐射屏蔽覆盖物的阀控制器的透视图；

图2B是图2A的阀控制器的分解图；

图3是图2A的阀控制器的局部分解图；

图4是本公开内容的辐射屏蔽覆盖物的示意图；

图5是本公开内容另一示例的另一种辐射屏蔽覆盖物的示意图；

图6是利用增材制造方法形成图4和图5中的一个或多个中描绘的辐射屏蔽覆盖物的3D打印机的透视图；

图7是根据本公开内容的另一方面的3D打印机的一部分的特写视图，描绘了3D打印机的至少两个射流；以及

图8是与制造本公开内容的辐射屏蔽覆盖成的方法一起使用的图6的3D打印机的馈线的一部分的示意图。

具体实施方式

辐射屏蔽覆盖物适于设置在阀控制器或另一个阀组件的壳体上，这允许在辐射环境中增加阀控制器和/或阀组件的部件的抗辐射性和延长部件寿命。辐射屏蔽覆盖物包括具有金属基材的层和被注入到基材内并且具有比金属基材的密度更高的密度的第二材料，从而增加了该层的密度。如此配置，新的辐射屏蔽覆盖物包括具有抗辐射特性的高密度材料，使得辐射屏蔽覆盖物的层阻止辐射到达设置在壳体内的部件。

现在参考图1，根据本公开内容的一个方面，阀组件或阀控制器10被描绘为包括辐射屏蔽覆盖物12。虽然辐射屏蔽覆盖物12通常被称为设置在阀组件或阀控制器10的一部分上，如下文更详细地解释的，本领域技术人员将理解，辐射屏蔽覆盖物12可以附加地和/或替代地设置在需要抗辐射的系统或核电站的组件的任何部件上并仍落入本公开内容的范围内。阀组件或阀控制器10中的每一个可包括壳体16和耦接到壳体16的盖18。通常，壳体16、盖18或阀组件或阀控制器10的其他部件的表面可以用辐射屏蔽覆盖物12覆盖或构造，如下面更详细解释的。

现在参考图2A和2B，描绘了包括壳体16和耦接到壳体16的盖18的阀控制器14，其中辐射屏蔽覆盖物12设置在壳体16和盖18上。在该示例中，阀控制器14的壳体16还包括底座组件19，使得盖18耦接到底座组件19。在一个示例中，底座组件19包括气动继电器20和转换器22，连同其他电子部件24。阀控制器14还包括设置在壳体16内的电子部件26，例如印刷线路板组件。

参考图2B，壳体16包括外表面16a并且盖18还包括外表面18a，使得辐射屏蔽覆盖物至少设置在壳体16的外表面16a和盖18的外表面18a上。另外，盖18耦接到壳体16，形成外壳28(图2A)。结果，辐射屏蔽覆盖物12阻止辐射到达部件，例如设置在壳体16内的电子部件24或设置在外壳28内的任何其他部件。在另一个示例中，阀控制器14可以包括具有壳体31的接线盒30以及与其耦接并包围接线盒30的盖32。在该示例中，辐射屏蔽覆盖物12也可以设置在壳体31和盖32中的一个或多个上，以保护接线盒和/或放置在其中的任何电子部件免受辐射。

现在参考图3，描绘了阀控制器14的另一个透视图。阀控制器14包括横向X轴、纵向Y轴和垂直于横向轴X和纵向轴Y的Z轴。设置在至少壳体16的外表面16a、底座19的外表面19a、和盖18的外表面18a中的每一个上的辐射屏蔽覆盖物12沿Z轴贯穿壳体16、底座19、和盖18中的一个或多个。

现在参考图4，描绘了本公开内容的辐射屏蔽覆盖物12的截面的一部分。辐射屏蔽覆盖物12包括层40，该层40包括基材42和被注入到基材42内的第二材料44。基材42具有第一密度D1并且第二材料44具有高于基材42的第一密度D1的第二密度D2，增加层40的整体密度。层40适于分别布置在阀控制器14或阀组件10的壳体16、盖18或壳体16的底座19的外表面16a、18a和19a中的一个或多个上方。这样，层40阻止辐射到达部件，例如设置在壳体16内的部件26。此外，层40还增加壳体16、盖18和底座19的外表面16a、18a和19a的材料的厚度和抗辐射性。

在一个示例中，基材42包括金属基材和金属粘合剂或不锈钢材料中的一种。将意识到的是，可以附加地或替代地使用各种其他金属类型或基于金属的材料并且仍然落入本公开内容的范围内。此外，第二材料44可包括钽材料或钨材料或具有与钽材料或钨材料相同或相似性质的任何其他材料中的一种或多种，并且仍落入本公开内容的范围内。在又一示例中，第二材料44包括多个陶瓷粒子、多个钽粒子或多个钨粒子中的一个。如此配置，层40可以包括用于基材42和用于第二材料44的示例材料的任何一种或多种组合并且仍然落入本公开内容的范围内。例如，基材42可以包括金属粘合剂，而第二材料44可以包括多个陶瓷颗粒，如图4所示。将意识到的是，可以替代地和/或附加地使用具有类似于上面针对基材42和第二材料44中的每种材料列出的那些性质的各种其他材料并且仍然落入本公开内容的范围内。此外，在每个示例中，第二材料44包括高密度材料，使得第二材料44的密度高于基材42的密度。

现在参考图5，描绘了根据本公开内容的另一辐射屏蔽覆盖物120，其设置在壳体16、壳体16的盖18或底座19中的一个或多个的外表面16a、18a和19a上。图5的辐射屏蔽覆盖物120的与图4的辐射屏蔽覆盖物12的部分相似或相同的部分包括比图4中描绘的辐射屏蔽覆盖物12的附图标记大100的附图标记，并且为简洁起见，这里不再解释。与图4的辐射屏蔽覆盖物12不同，辐射屏蔽覆盖物120包括若干层，如下文更详细地解释。

具体地，如图5中所描绘的，辐射屏蔽覆盖物120包括第一层140，其与图4的辐射屏蔽覆盖物12的层40相同并且在上面进行了解释。辐射屏蔽覆盖物120还包括仅包含基材142的第二层150，以及包含基材142和被注入到基材142内的第二材料144的第三层160。第二材料144的密度高于基体材料142的密度，并且第二层150设置在第一层140上并位于第一层140与第三层160之间，如图5中所描绘的。在一个示例中，第二层150是包括辐射陷阱的纯金属孔隙。

此外，与辐射屏蔽覆盖物12的基材42一样，基材142可以包括金属基材和金属粘合剂或不锈钢材料中的一种。应当理解，可以附加地或替代地使用各种其他金属类型或基于金属的材料并且仍然落入本公开内容的范围内。此外，第二材料144可包括钽材料或钨材料或具有与钽材料或钨材料相同或相似性质的任何其他材料中的一种或多种，并且仍落入本公开内容的范围内。在又一示例中，第二材料144包括多个陶瓷粒子、多个钽粒子、或多个钨粒子中的一个。如此配置，第一层140和第三层160可以包括用于基材142和用于第二材料144的示例材料的任何一种或多种组合并且仍然落入本公开内容的范围内。例如，基材142可以包括金属粘合剂，并且第二材料144可以包括多个陶瓷颗粒，如图5中所描绘的。将再次理解的是，可以替代地和/或附加地使用具有类似于上面针对基材142和第二材料144中的每种材料的那些性质的各种其他材料并且仍然落入本公开内容的范围内。此外，在每个示例中，第二材料144包括高密度材料，使得第二材料144的密度高于基材142的密度。

现在参考图6，描绘了能够实现制造上述和本公开内容的辐射屏蔽覆盖物12、120的方法的示例性3D打印机200。更一般地，3D打印机200通过使用混合或多部件给料的激光金属沉积来采用增材制造方法，例如至少两个彼此分开和分立的供给管线和至少两个材料喷射流，包括基于粉末的材料，如下面进一步解释的。

3D打印机200包括具有漏斗形状的喷嘴210和出口部分212。至少两个单独的材料喷射流214、216从喷嘴210的出口部分212延伸，如进一步所描绘的，使得如下面进一步解释的，至少两个单独的材料喷射流214、216直到离开喷嘴210才混合。至少两个单独的喷射流214、216被引导以会聚在公共交汇点218处，该公共交汇点218位于喷嘴210的出口部分212的外部和下游。

如图7中所描绘的，当从喷嘴210的出口部分212延伸时，至少两个喷射流214和216最初可以彼此平行。此外，至少两个喷射流214、216可以包括当伸出喷嘴210时彼此相距约0.5英寸的第一喷射流214和第二喷射流216，如图7中所描绘的。这种分离进一步说明第一喷射流214和第二喷射流216中的每个中的材料在设置在喷嘴210内时不混合，而是完全分开并且彼此不同，直到离开喷嘴210并被沉积到混合区域中之后。

现在参考图8，描绘了图7的3D打印机200的喷嘴210的一部分的剖视图。喷嘴210包括至少两个分立的供给管线，该至少两个供给管线包括第一供给管线220和第二供给管线222，第一供给管线220具有通过其输送的第一材料221，第二供给管线222具有通过其输送的第二材料223。第二材料223的密度高于第一材料221的密度。虽然喷嘴210的这个横截面视图描绘了两个分立的供给管线，但将意识到，额外的供给管线，例如，每个也与至少两个供给管线220、222分开且不同的两个额外的供给管线也可以被包括并且仍然落入本公开内容的范围内。因此，在一个示例中，可以有四条供给管线，每条供给管线都是彼此分开且不同的。

此外，至少两个分开的喷射流214和216也被描绘为离开喷嘴210，使得第一喷射流214包括第一材料221，并且第二喷射流222包括第二材料223。在一个示例中，至少两个分开的喷射流214、216可以再次会聚在公共交汇点218处，位于喷嘴210的出口部分212的外侧和下游。熔池(melt pool)228设置在喷嘴210的出口部分212的附近和下游，并且激光器230设置在喷嘴210的中心区域。第一材料221和第二材料223分别经由两个分开的喷射流214、216被引导到熔池228以例如通过激光器230产生的热量进行混合。这样，第一材料221和第二材料223保持彼此分开，直到第一材料221和第二材料223离开喷嘴210并到达熔池228。此外，第一材料221和第二材料223中的每一个的进料速率可以改变，以控制第一材料221与第二材料223的比率。

在一个示例中，第一材料221是基材42并且包括金属基材以及金属粘合剂或不锈钢材料中的一种。将意识到的是，可以附加地或替代地使用各种其他金属类型或基于金属的材料并且仍然落入本公开内容的范围内。此外，第二材料223可以包括钽材料或钨材料或具有与钽材料或钨材料相同或相似性质的任何其他材料中的一种或多种，并且仍落入本公开内容的范围内。在又一示例中，第二材料223包括多个陶瓷粒子、多个钽粒子或多个钨粒子中的一个。通过这种制造方法形成的层可以包括用于第一材料221和用于第二材料223的示例材料的任何一种或多种组合并且仍然落入本公开内容的范围内。例如，基材221可以包括金属粘合剂，而第二材料223可以包括多个陶瓷颗粒。将意识到的是，可以替代地和/或附加地使用具有类似于上面针对第一材料221和第二材料223中的每种材料列出的那些性质的各种其他材料并且仍然落入本公开内容的范围内。此外，在每个示例中，第二材料223包括高密度材料，使得第二材料223的密度高于基材221的密度。在一个示例中，例如，第一材料221与基材42相同，第二材料223与图4和图5的第二材料42相同。

鉴于上述内容，3D打印机200可以针对根据以下使用激光沉积方法的增材制造方法来形成辐射屏蔽覆盖物12、120。具体地，该方法可以包括提供单独地和分开地供给通过喷嘴210的至少两个分立的供给管线220、222。该方法还可以包括同时通过至少两个分立的供给管线中的第一供给管线220输送第一材料221并通过至少两个分立的供给管线中的第二供给管线222输送第二材料223。第二材料223的密度高于第一材料221的密度。

该方法还可以包括提供离开喷嘴210的至少两个分开的材料的喷射流214、216，该至少两个分开的喷射流214、216包括具有流过其中的第一材料221的第一喷射流214以及具有流过其中的第二材料223的第二喷射流216。此外，该方法还包括仅在离开喷嘴210之后才混合至少两个分开的材料的喷射流214、216。

制造方法还可以包括引导第一供给管线220和第二供给管线222会聚在与喷嘴210的出口部分212相邻设置的公共交汇点218处。该方法还可以包括经由分开的喷射流将第一材料221和第二材料223分别沉积到熔池228以进行混合，保持第一材料221和第二材料223彼此分开，直到第一和第二材料221、223离开喷嘴210并到达熔池228。

该方法还可以包括在离开喷嘴210之后混合至少两个单独的材料喷射流214、216，形成第一层，例如包括第一材料221的第一层14、140，以及嵌入第一材料221内的第二材料223。在一些示例中，该方法还可以包括形成设置在第一层140上的第二层159，以及设置在第二层150上的第三层160，其中，形成第二层150包括在第二层150中仅沉积第一材料221。此外，第三层160以与第一层140相同的方式形成并且具有与第一层140相同的材料。在另一示例中，该方法可以包括改变第一材料221和第二材料223中每个的进料速率，以控制第一材料221与第二材料223的比率。

鉴于前述内容，将意识到的是，辐射屏蔽覆盖物12、120及其制造方法至少包括以下优点。例如，辐射屏蔽覆盖物12、120通过包括具有抗辐射性质的高密度材料来增加阀控制器或阀组件中的一个或多个的组件或部件的抗辐射性。这允许延长部件在辐射环境中的寿命。此外，辐射屏蔽覆盖物12、120还使附加重量最小化，同时仍提供抗辐射性质。通过例如用辐射屏蔽覆盖物12、120的高密度材料涂覆或构造阀组件或阀控制器的壳体和/或盖的表面，表面的底层材料(例如弹性体)将具有增加的抗辐射性和减少的由于辐射导致的缺陷产生率。因为阀控制器的壳体和盖例如可以涂覆有和/或完全由辐射屏蔽覆盖物12、120的高密度混合原料混合物构成，所以设置在壳体和/或盖内的数字或电子部件具有增加的抗辐射性和延长的寿命。

更进一步，并且更一般地，辐射屏蔽覆盖物12、120能够通过增加材料厚度和使用高密度材料来阻止辐射到达包含在外壳或壳体内的敏感部件。更高密度的材料和增加的屏蔽材料厚度会由于辐射粒子的线性衰减增加而阻挡更高水平的辐射，这与材料密度和厚度直接相关。

本文中提供的附图和描述仅出于说明的目的描绘和描述辐射屏蔽覆盖物及其制造方法的优选实施例。本领域技术人员将容易地从前面的讨论中认识到，在不脱离本文中描述的原理的情况下，可以采用本文中所示部件的替代实施例。因此，在阅读本公开内容后，本领域技术人员将意识到另外的替代结构和功能设计。因此，虽然已经说明和描述了特定实施例和应用，但是应当理解，所公开的实施例不限于本文公开的精确构造和部件。在不脱离所附权利要求中限定的精神和范围的情况下，可以对本文公开的方法和部件的布置、操作和细节进行对本领域技术人员而言显而易见的各种修改、改变和变化。