热等静压法制备CFETR包层第一壁钨/钢模块研究

摘要

CFETR水冷包层第一壁是由面向等离子体材料钨和结构材料铁素体/马氏体钢组成的。严苛的聚变堆环境要求钨和钢必须以冶金结合的方式连接，并获得缺陷率较低的焊接接头。针对此项技术要求，本论文从模拟和试验两个方面开展了热等静压工艺制备高性能钨和钢连接的研究。
　　首先，针对钨/钢热等静压焊接过程中存在的中间层影响，利用ANSYS有限元法计算了采用不同中间层的钨/钢焊接接头残余应力的分布情况。结果表明:残余应力受中间层材料屈服强度及热膨胀系数影响;当残余应力足够大时，具有较小屈服强度的金属趋于首先变形，拥有较小屈服强度的中间层可以有效缓释钨和钢之间的残余应力。
　　其次，利用ANSYS有限元法分析了包含不同材料和厚度中间层的第一壁小模块在热辐照工况下的温度场分布。结果表明:随着中间层厚度的增加，钨和中间层金属的最高温度呈缓慢线性增长，而钢的最高温度变化幅度较小。包层第一壁在设定热辐照工况下，当中间层钛，镍，铜厚度小于2mm时，部件温度未超出各材料的可用范围。
　　在理论分析的基础上，试验研究了包含不同中间层的钨/钢热等静压焊接接头的组织和性能。试验结果表明:在特定温度范围内，采用较高的焊接温度将获得连接强度更高的焊接接头;钨/中间层/钢焊接接头多以脆性方式断裂，无脆性反应产物的接头连接强度较高，甚至可能以塑性方式失效。试验还发现钨/钛/钢接头的焊接强度相对较高，但是在一个大气压的氘气压强暴露下，钛中间层会氢致脆裂。为了防止氢致金属断裂，未来研究钨/中间层/钢焊接过程中要考虑氢同位素暴露问题，进而验证焊接接头是否适用于聚变堆氢同位素环境。
　　最后，试验研究了钢材在热等静压过程中组织和性能的变化，试验结果表明:去除包套后的钨/中间层/钢接头易在正火过程中发生崩裂;未发生崩裂的焊接接头，钢的组织可以回复到接近母材水平，但接头连接强度会受到影响。
　　通过分析对比试验和模拟结果，可以得到如下结论:无论从界面反应产物，热应力缓释或最终失效方式来看，用铜/镍作为中间层热等静压焊接得到的钨/钢接头的性能具有明显优势;若未来聚变堆材料允许使用铜和镍，在焊接钨/钢时可优先考虑铜和镍双层中间层的技术方案。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 聚变能和托卡马克装置

1．2 包层概述

1．2．1 ITER主要候选包层概念

1．2．2 CFETR水冷包层概念

1．3 包层部件关键加工技术研究现状

1．3．1 含流道部件加工技术

1．3．2 管或板连接技术

1．3．3 第一壁钨/钢连接技术

1．4 有限元数值计算概述

1．4．1 固相扩散焊接数值计算概述

1．4．2 包层第一壁温度场计算概述

1．5 本文主要研究内容

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究方法

第二章 实验材料和方法

2．1．3 氘气暴露设备

2．2 实验材料

2．2．1 中间层材料的选择

2．2．2 钨和钢材的选择

2．3 分析测试方法

第三章 钨/钢热等静压焊接接头热应力计算

3．1 热应力计算理论基础

3．2 热应力计算前处理

3．2．1 三维模型简化

3．2．2 材料特性参数

3．2．3 网格剖分

3．2．4 边界条件与载荷

3．3 热应力计算结果分析

3．3．1 钨/钢热应力计算结果

3．3．2 钨/钛/钢热应力计算结果

3．3．3 钨/镍/钢和钨/铜/钢热应力计算结果

3．3．4 残余应力影响因子

3．4 本章小结

第四章 第一壁稳态热负荷温度场计算

4．1 温度场计算理论基础

4．2 温度场计算前处理

4．2．3 网格剖分

4．3 边界条件与载荷

4．4 温度场计算结果分析

4．4．2 钨/镍/钢和钨/铜/钢温度场计算结果

4．5 本章小结

第五章 钨/钢热等静压焊接接头组织和性能

5．1 钛中间层厚度对钨/钢热等静压焊接接头组织和性能的影响

5．1．3 显微组织

5．1．4 机械性能测试和断口分析

5．1．5 小结

5．2 钛和镍中间层对钨/钢热等静压焊接接头组织和性能的影响

5．2．1 焊接工艺和计算方法

5．2．2 显微组织

5．2．3 热应力分析

5．2．4 机械性能测试

5．2．5 小结

5．3．1 钨/钛/钢焊接工艺

5．3．2 P91钢热等静压热过程模拟

5．3．3 超声检测

5．3．4 显微组织

5．3．5 力学性能

5．3．6 氢同位素对钨/钛/钢接头的组织及力学性能的影响

5．3．7 小结

5．4 镍对钨/钛/钢热等静压焊接接头组织和性能的影响

5．4．2 超声检测

5．4．3 显微组织

5．4．4 力学性能

5．4．5 小结

5．5．1 焊接工艺

5．5．3 显微组织

5．5．4 力学性能

5．5．5 小结

5．6．2 超声检测

5．6．3 显微组织

5．6．4 力学性能

5．6．5 小结

5．7 本章小结

第六章 热处理对钢及钨/中间层/钢连接接头的影响

6．1 钢的热处理组织与性能

6．1．1 P91钢

6．1．2 RAFM钢

6．2 钨/中间层/钢的热处理的组织和性能

6．2．2 钨/铜/钢和钨/镍/钢

6．3 本章小结

第七章 全文总结与工作展望

7．1 全文总结

7．1．1 钨/钢热等静压焊接接头热应力计算

7．1．2 第一壁稳态热负荷温度场计算

7．1．4 热处理对钢及钨/中间层/钢连接接头的影响

7．1．5 中间层种类的选择

7．2 论文创新点

7．3 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果