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面向等離子體材料鎢與熱沉材料的連接技術(shù)

查看：2023 　發(fā)稿日期：2016-01-13 19:37:06

聚變能的發(fā)展不僅依賴于關(guān)鍵材料的選擇,而且更依賴于關(guān)鍵材料的制備技術(shù)和連接技術(shù)。面向等離子體材料及其部件(PFM/PFC)的設(shè)計(jì)與制備是聚變堆裝置中的一個(gè)難點(diǎn)。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(shù)差異大,在部件制備和部件運(yùn)行過(guò)程中將產(chǎn)生大的熱應(yīng)力,從而使部件過(guò)早失效,因此對(duì)面向等離子體部件連接接頭的設(shè)計(jì)和制備是一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文針對(duì)核聚變裝置中需要實(shí)現(xiàn)面向等離子體材料與熱沉材料有效連接的制造要求,開(kāi)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(shù)的研究。主要內(nèi)容包括：針對(duì)目前的水冷偏濾器,采用改進(jìn)的大氣等離子體噴涂技術(shù)制備鎢厚涂層,研究鎢粉的等離子體球化工藝,對(duì)鎢厚涂層的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；對(duì)鎢／銅功能梯度涂層材料的有限元設(shè)計(jì),進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱應(yīng)力分析；率先采用冷氣動(dòng)力噴涂技術(shù)在銅合金和不銹鋼基體上制備鎢涂層,對(duì)鎢顆粒的變形進(jìn)行了模擬,對(duì)鎢涂層的基本性能進(jìn)行了表征；針對(duì)將來(lái)的氦冷偏濾器,在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展真空電子束釬焊技術(shù)制備鎢／鋼模塊,對(duì)釬焊接頭進(jìn)行性能評(píng)價(jià),對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)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(shè)備,采用水冷系統(tǒng),以等離子體球化技術(shù)制備球形鎢粉。等離子體球化工藝研究表明,球化率可達(dá)90%以上,氧含量小于0.2wt%,粉末流動(dòng)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(jìn)的大氣等離子體噴涂技術(shù),從原料、涂層設(shè)計(jì)、噴涂工藝等三方面改進(jìn),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(guò)渡層(約1mm),在CuCrZr合金基體(110mm×130mm)上制備了4mm級(jí)的鎢涂層。和結(jié)晶鎢粉制備的涂層相比,該涂層致密,涂層內(nèi)部和界面均無(wú)明顯的大孔洞出現(xiàn)。金相法測(cè)得鎢涂層孔隙率小于2%,結(jié)合強(qiáng)度最大值為10MPa,純鎢涂層的熱導(dǎo)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(yīng)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(shì)。鎢涂層表面層厚度為2mm,梯度層為240μm時(shí),最大等效應(yīng)力得到有效的緩解。梯度層厚度不同時(shí),在相同熱流密度下整個(gè)模塊的等效應(yīng)力發(fā)生顯著變化；而在相同的厚度下,不同熱流密度下整個(gè)模塊的等效應(yīng)力分布趨勢(shì)相同。在非正常事件高熱流密度瞬態(tài)沖擊下,鎢表面溫度急劇上升,當(dāng)熱流密度為800MW/m2,持續(xù)時(shí)間為5ms時(shí),鎢表面已經(jīng)開(kāi)始熔化,故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免如此高的瞬態(tài)熱流密度的事件的發(fā)生。(4)率先采用冷氣動(dòng)力噴涂技術(shù)在銅合金和不銹鋼基體上制備鎢涂層從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)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(dāng)速度高到一定程度的時(shí)候,發(fā)生嵌入現(xiàn)象,由于鎢變形能力不如銅,并沒(méi)有出現(xiàn)銅顆粒碰撞銅基體時(shí)出現(xiàn)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(méi)有發(fā)生氧化現(xiàn)象。當(dāng)原始鎢粉太粗或太細(xì)都很難實(shí)現(xiàn)涂層的有效沉積,噴涂距離也是影響鎢粉沉積的關(guān)鍵因素。劃痕試驗(yàn)表明鋼基體鎢涂層的結(jié)合強(qiáng)度大于銅基體鎢涂層。(5)率先采用真空電子束釬焊技術(shù),以非晶態(tài)Ni基釬料進(jìn)行鎢與低活化鋼連接的研究表明,Ni基釬料可以實(shí)現(xiàn)鎢與低活化鋼的連接,調(diào)整工藝后可實(shí)現(xiàn)界面連接完好,無(wú)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(qiáng)度可達(dá)到365MPa。隨著釬焊時(shí)間的增加,強(qiáng)度是先增加后降低,降低的原因是接頭處的脆性相增多,導(dǎo)致強(qiáng)度降低。(6)率先采用真空電子束釬焊技術(shù),以非晶態(tài)Ti基釬料進(jìn)行鎢與低活化鋼連接的研究表明,Ti基釬料可以實(shí)現(xiàn)鎢與低活化鋼的連接,調(diào)整工藝后可實(shí)現(xiàn)界面連接完好,無(wú)裂紋。純Ti作為釬焊接頭的過(guò)渡層可以有效提高W/Ti/鋼的結(jié)合強(qiáng)度,殘余應(yīng)力模擬表明中間過(guò)渡層的加入可以降低釬焊接頭的殘余應(yīng)力,W/Ti/鋼的剪切強(qiáng)度可達(dá)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(shí)間的延長(zhǎng),釬料溢出,導(dǎo)致釬焊接頭強(qiáng)度降低。

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