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面向等離子體材料鎢與熱沉材料的連接技術

查看：2004 　發稿日期：2016-01-13 19:37:06

聚變能的發展不僅依賴于關鍵材料的選擇,而且更依賴于關鍵材料的制備技術和連接技術。面向等離子體材料及其部件(PFM/PFC)的設計與制備是聚變堆裝置中的一個難點。鎢及其合金是理想的面向等離子體材料的候選材料,銅及其低活化鋼是理想的熱沉材料的候選材料,兩者連接在一起便組成了重要的面向等離子體部件。由于面向等離子體材料與熱沉材料的熱物理性能,特別是熱膨脹系數差異大,在部件制備和部件運行過程中將產生大的熱應力,從而使部件過早失效,因此對面向等離子體部件連接接頭的設計和制備是一個難點和熱點。本文針對核聚變裝置中需要實現面向等離子體材料與熱沉材料有效連接的制造要求,開展了面向等離子體材料(鎢)與熱沉材料(銅和低活化鋼)的連接技術的研究。主要內容包括：針對目前的水冷偏濾器,采用改進的大氣等離子體噴涂技術制備鎢厚涂層,研究鎢粉的等離子體球化工藝,對鎢厚涂層的性能進行評價；對鎢／銅功能梯度涂層材料的有限元設計,進行穩態和瞬態熱應力分析；率先采用冷氣動力噴涂技術在銅合金和不銹鋼基體上制備鎢涂層,對鎢顆粒的變形進行了模擬,對鎢涂層的基本性能進行了表征；針對將來的氦冷偏濾器,在國內率先開展真空電子束釬焊技術制備鎢／鋼模塊,對釬焊接頭進行性能評價,對殘余應力進行了模擬。主要取得以下成果：(1)采用商用的大氣等離子體噴涂設備,采用水冷系統,以等離子體球化技術制備球形鎢粉。等離子體球化工藝研究表明,球化率可達90%以上,氧含量小于0.2wt%,粉末流動速率小于6 s/50g,球形粉末收得率80%以上。在送粉速率一定的條件下,球化的功率、噴嘴離水面的距離、原始鎢粉的形貌是影響球化鎢粉基本性能(球化率、氧含量、粒度分布、形貌)的主要因素。(2)采用改進的大氣等離子體噴涂技術,從原料、涂層設計、噴涂工藝等三方面改進,率先以W(CO)6分解制備的球形鎢粉為噴涂原料,率先采用CuMo/MoW為過渡層(約1mm),在CuCrZr合金基體(110mm×130mm)上制備了4mm級的鎢涂層。和結晶鎢粉制備的涂層相比,該涂層致密,涂層內部和界面均無明顯的大孔洞出現。金相法測得鎢涂層孔隙率小于2%,結合強度最大值為10MPa,純鎢涂層的熱導率最大值為12.52 W/(m·K)。(3)W/Cu功能梯度涂層材料的有限元模擬分析表明,隨梯度層厚度的增加,W/Cu梯度涂層的最大等效應力先急劇降低后有小幅上升,而后逐漸降低,而鎢表面溫度隨梯度層厚度的增加呈直線上升趨勢。鎢涂層表面層厚度為2mm,梯度層為240μm時,最大等效應力得到有效的緩解。梯度層厚度不同時,在相同熱流密度下整個模塊的等效應力發生顯著變化；而在相同的厚度下,不同熱流密度下整個模塊的等效應力分布趨勢相同。在非正常事件高熱流密度瞬態沖擊下,鎢表面溫度急劇上升,當熱流密度為800MW/m2,持續時間為5ms時,鎢表面已經開始熔化,故設計時應盡量避免如此高的瞬態熱流密度的事件的發生。(4)率先采用冷氣動力噴涂技術在銅合金和不銹鋼基體上制備鎢涂層從理論和實驗兩方面進行研究。ANSYS/LS-DYNA模擬表明,在低速條件下,隨著碰撞速度的增加變形程度增加。但是當速度高到一定程度的時候,發生嵌入現象,由于鎢變形能力不如銅,并沒有出現銅顆粒碰撞銅基體時出現的射流狀擠出物。以N2為載氣和加速氣體,原始鎢粉平均粒度(D50)為2μm,氣體壓力為33bar,噴涂距離為30mm,氣體溫度為730℃,可制備出一層致密的鎢涂層,涂層厚度約為5gm,涂層沒有發生氧化現象。當原始鎢粉太粗或太細都很難實現涂層的有效沉積,噴涂距離也是影響鎢粉沉積的關鍵因素。劃痕試驗表明鋼基體鎢涂層的結合強度大于銅基體鎢涂層。(5)率先采用真空電子束釬焊技術,以非晶態Ni基釬料進行鎢與低活化鋼連接的研究表明,Ni基釬料可以實現鎢與低活化鋼的連接,調整工藝后可實現界面連接完好,無裂紋,鎢與釬料的界面和鋼與釬料的界面形成固溶體,剪切強度可達到365MPa。隨著釬焊時間的增加,強度是先增加后降低,降低的原因是接頭處的脆性相增多,導致強度降低。(6)率先采用真空電子束釬焊技術,以非晶態Ti基釬料進行鎢與低活化鋼連接的研究表明,Ti基釬料可以實現鎢與低活化鋼的連接,調整工藝后可實現界面連接完好,無裂紋。純Ti作為釬焊接頭的過渡層可以有效提高W/Ti/鋼的結合強度,殘余應力模擬表明中間過渡層的加入可以降低釬焊接頭的殘余應力,W/Ti/鋼的剪切強度可達到233MPa。W/Ti/鋼的釬焊接頭的組織形貌中釬料和純Ti的界面融合,隨著加熱時間的延長,釬料溢出,導致釬焊接頭強度降低。

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