面向等離子體材料鎢與熱沉材料的連接技術(shù).pdf

1、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(shù)差異大，在部件制備和部件運行過程中將產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，從而使部件過早失效，因此對面向等離

2、子體部件連接接頭的設(shè)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(xiàn)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(shù)的研究。主要內(nèi)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(shù)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(shè)計，進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱應(yīng)力分析；率先采用冷氣動力噴涂技術(shù)在銅合金和不銹鋼基體上制備

3、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(nèi)率先開展真空電子束釬焊技術(shù)制備鎢/鋼模塊，對釬焊接頭進行性能評價，對殘余應(yīng)力進行了模擬。主要取得以下成果：
　　 ⑴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

4、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。
　　 ⑵采用改進的大氣等離子體噴涂技術(shù)，從原料、涂層設(shè)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(jié)晶鎢粉制備的涂層相比，該涂層致密，涂層內(nèi)部和界面均無明顯的

5、大孔洞出現(xiàn)。金相法測得鎢涂層孔隙率小于2％，結(jié)合強度最大值為10MPa，純鎢涂層的熱導(dǎo)率最大值為12.52 W/(m·K)。
　　 ⑶W/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。鎢涂層表面層厚度為2mm，梯度層為240μm時，最大等效應(yīng)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

6、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模塊的等效應(yīng)力分布趨勢相同。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)時間為5ms時，鎢表面已經(jīng)開始熔化，故設(shè)計時應(yīng)盡量避免如此高的瞬態(tài)熱流密度的事件的發(fā)生。
　　 ⑷率先采用冷氣動力噴涂技術(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

7、度增加。但是當(dāng)速度高到一定程度的時候，發(fā)生嵌入現(xiàn)象，由于鎢變形能力不如銅，并沒有出現(xiàn)銅顆粒碰撞銅基體時出現(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5μm，涂層沒有發(fā)生氧化現(xiàn)象。當(dāng)原始鎢粉太粗或太細都很難實現(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。劃痕試驗表明鋼基體鎢涂層的結(jié)合強度大于銅基體鎢

8、涂層。
　　 ⑸率先采用真空電子束釬焊技術(shù)，以非晶態(tài)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(xiàn)鎢與低活化鋼的連接，調(diào)整工藝后可實現(xiàn)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(dǎo)致強度降低。
　　 ⑹率先采用真空電子束釬焊技術(shù)，以非晶態(tài)Ti基釬料進行鎢與低活化鋼連接的研究表明，Ti基釬料