面向等离子体材料钨与热沉材料的连接技术

摘要

聚变能的发展不仅依赖于关键材料的选择，而且更依赖于关键材料的制备技术和连接技术。面向等离子体材料及其部件(PFM/PFC)的设计与制备是聚变堆装置中的一个难点。钨及其合金是理想的面向等离子体材料的候选材料，铜及其低活化钢是理想的热沉材料的候选材料，两者连接在一起便组成了重要的面向等离子体部件。由于面向等离子体材料与热沉材料的热物理性能，特别是热膨胀系数差异大，在部件制备和部件运行过程中将产生大的热应力，从而使部件过早失效，因此对面向等离子体部件连接接头的设计和制备是一个难点和热点。本文针对核聚变装置中需要实现面向等离子体材料与热沉材料有效连接的制造要求，开展了面向等离子体材料(钨)与热沉材料(铜和低活化钢)的连接技术的研究。主要内容包括：针对目前的水冷偏滤器，采用改进的大气等离子体喷涂技术制备钨厚涂层，研究钨粉的等离子体球化工艺，对钨厚涂层的性能进行评价；对钨/铜功能梯度涂层材料的有限元设计，进行稳态和瞬态热应力分析；率先采用冷气动力喷涂技术在铜合金和不锈钢基体上制备钨涂层，对钨颗粒的变形进行了模拟，对钨涂层的基本性能进行了表征；针对将来的氦冷偏滤器，在国内率先开展真空电子束钎焊技术制备钨/钢模块，对钎焊接头进行性能评价，对残余应力进行了模拟。主要取得以下成果：
　　 ⑴采用商用的大气等离子体喷涂设备，采用水冷系统，以等离子体球化技术制备球形钨粉。等离子体球化工艺研究表明，球化率可达90％以上，氧含量小于0.2wt％，粉末流动速率小于6 s/50g，球形粉末收得率80％以上。在送粉速率一定的条件下，球化的功率、喷嘴离水面的距离、原始钨粉的形貌是影响球化钨粉基本性能(球化率、氧含量、粒度分布、形貌)的主要因素。
　　 ⑵采用改进的大气等离子体喷涂技术，从原料、涂层设计、喷涂工艺等三方面改进，率先以W(CO)6分解制备的球形钨粉为喷涂原料，率先采用CuMo/MoW为过渡层(约1mm)，在CuCrZr合金基体(110mm×130mm)上制备了4mm级的钨涂层。和结晶钨粉制备的涂层相比，该涂层致密，涂层内部和界面均无明显的大孔洞出现。金相法测得钨涂层孔隙率小于2％，结合强度最大值为10MPa，纯钨涂层的热导率最大值为12.52 W/(m·K)。
　　 ⑶W/Cu功能梯度涂层材料的有限元模拟分析表明，随梯度层厚度的增加，W/Cu梯度涂层的最大等效应力先急剧降低后有小幅上升，而后逐渐降低，而钨表面温度随梯度层厚度的增加呈直线上升趋势。钨涂层表面层厚度为2mm，梯度层为240μm时，最大等效应力得到有效的缓解。梯度层厚度不同时，在相同热流密度下整个模块的等效应力发生显著变化；而在相同的厚度下，不同热流密度下整个模块的等效应力分布趋势相同。在非正常事件高热流密度瞬态冲击下，钨表面温度急剧上升，当热流密度为800MW/m2，持续时间为5ms时，钨表面已经开始熔化，故设计时应尽量避免如此高的瞬态热流密度的事件的发生。
　　 ⑷率先采用冷气动力喷涂技术在铜合金和不锈钢基体上制备钨涂层从理论和实验两方面进行研究。ANSYS/LS-DYNA模拟表明，在低速条件下，随着碰撞速度的增加变形程度增加。但是当速度高到一定程度的时候，发生嵌入现象，由于钨变形能力不如铜，并没有出现铜颗粒碰撞铜基体时出现的射流状挤出物。以N2为载气和加速气体，原始钨粉平均粒度(D50)为2μm，气体压力为33bar，喷涂距离为30mm，气体温度为730℃，可制备出一层致密的钨涂层，涂层厚度约为5μm，涂层没有发生氧化现象。当原始钨粉太粗或太细都很难实现涂层的有效沉积，喷涂距离也是影响钨粉沉积的关键因素。划痕试验表明钢基体钨涂层的结合强度大于铜基体钨涂层。
　　 ⑸率先采用真空电子束钎焊技术，以非晶态Ni基钎料进行钨与低活化钢连接的研究表明，Ni基钎料可以实现钨与低活化钢的连接，调整工艺后可实现界面连接完好，无裂纹，钨与钎料的界面和钢与钎料的界面形成固溶体，剪切强度可达到365MPa。随着钎焊时间的增加，强度是先增加后降低，降低的原因是接头处的脆性相增多，导致强度降低。
　　 ⑹率先采用真空电子束钎焊技术，以非晶态Ti基钎料进行钨与低活化钢连接的研究表明，Ti基钎料可以实现钨与低活化钢的连接，调整工艺后可实现界面连接完好，无裂纹。纯Ti作为钎焊接头的过渡层可以有效提高W/Ti/钢的结合强度，残余应力模拟表明中间过渡层的加入可以降低钎焊接头的残余应力，W/Ti/钢的剪切强度可达到233MPa。W/Ti/钢的钎焊接头的组织形貌中钎料和纯Ti的界面融合，随着加热时间的延长，钎料溢出，导致钎焊接头强度降低。