[發明專利]一種適用于聚變堆第一壁部件鎢和鋼連接的制造工藝

在審

• 申請號: 201610079839.8
• 申請日: 2016-02-02
• 公開（公告）號: CN105499816A
• 公開（公告）日: 2016-04-20
• 發明（設計）人: 王紀超;羅廣南;李強;王萬景
• 申請（專利權）人: 中國科學院等離子體物理研究所
• 主分類號: B23K28/02
• 分類號: B23K28/02;B23K15/00;B23K9/16;B23K9/235
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明是一種適用于聚變堆第一壁部件鎢和鋼連接的制造工藝，屬金屬擴散焊接 領域。

背景技術

鎢具有高熔點、低濺射率、較好物理和化學抗性等特點，被認為是未來聚變堆面向 等離子體材料的備選之一，目前托克馬克設備的偏濾器部件就由鎢與熱沉材料銅及其合金 加工而成。為適應未來聚變反應堆高中子環境的苛刻條件，熱沉材料必須具有低活化特性， 聚變堆包層和下一代偏濾器的結構及熱沉材料首選低活化鐵素體馬氏體鋼（RAFM鋼），目前 鎢與RAFM鋼的連接主要難點在于二者的熱物理性能差別較大，焊接后及熱處理時二者因熱 膨脹系數不同產生不同的熱應力，使得連接處出現裂紋。

近年來，研究人員嘗試采用真空等離子噴涂、釬焊、擴散焊接等方法對鎢和鋼進行 連接，結果如下：真空等離子噴涂獲得的鎢涂層，結合強度較弱且致密度較低；釬焊的缺點 在于釬料需要加熱到較高溫度，易導致基體組織粗化，且焊后對基體材料進行熱處理時易 出現裂紋，另因釬料多含有活化金屬元素，不適于聚變堆的工作環境。

目前國內對于鎢/鋼的擴散焊接主要采用兩種方式：真空熱壓和熱等靜壓。二者的 共同點是通過添加中間層來緩解因熱膨脹系數不同導致的工件殘余應力過大現象，都屬于 無金屬熔化的固相焊接，不進行熱處理僅靠控制加熱溫度，即可得到致密可靠的焊接工件。 真空熱壓方法的缺點在于，它一次只能加工一個工件，不適于批量生產。熱等靜壓擴散焊接 不限制工件數量，只取決于爐膛尺寸，生產效率較高，因此適合于聚變堆第一壁部件鎢和鋼 連接制造。

發明內容

本發明是為解決現有技術中因鎢、鋼因熱膨脹系數差異較大導致連接性能差的問 題，提供了一種適用于聚變堆第一壁部件鎢和鋼連接的制造工藝。

為實現上述目的，本發明的采用的技術方案是：

一種適用于聚變堆第一壁部件鎢和鋼連接的制造工藝，其特征在于，工藝步驟為：

1）機加工：按照設計要求加工鎢、鋼及中間層材料的工件，并對三種材料的待焊接面進 行表面精加工，加工后的表面粗糙度Ra≤3.2μm；

2）清洗：將加工后的工件用超聲波去污清洗，超聲波清洗采用丙酮作為清洗劑，清洗時 間不低于30min，去除機加工表面污跡，并把清洗后的工件真空密封，防止表面污染及氧化；

3）包套制作：根據上述待加工工件尺寸制作304或316不銹鋼包套，包套包括有包套本 體和上、下兩個包套蓋板，包套是用來固定工件，并為工件提供真空或保護氣氛下焊接支撐 的工裝，在熱等靜壓完成后去除；

4）裝配：當具備焊接條件時，將工件從真空環境中取出，用酒精擦去表面浮塵，操作環 境要求為無塵環境，按照鋼、中間層材料、鎢的順序，將工件依次放入包套；

5）封裝：用電子束焊或者氬弧焊焊接方法對包套進行密封，焊接須在真空環境中進行， 要求真空度小于10^-1Pa，除氣時間大于30min；

6）焊接：將密封后的工件和包套放入熱等靜壓機中進行焊接，加壓氣體采用高純氬氣， 在溫度600~1080℃，壓力100~300MPa的焊接環境中保溫1.5~6h，采用隨爐冷卻，低于150℃ 后出爐，防止工件再次氧化；

7）熱處理：如果熱等靜壓焊接時的溫度高于鋼的奧氏體轉變開始溫度，須對上述工件 和包套進行焊接后的熱處理，處理工藝與所用鋼材料的熱處理工藝相同。

所述的一種適用于聚變堆第一壁部件鎢和鋼連接的制造工藝，其特征在于，所述 中間層材料采用鈦、釩或鎳。

本發明的有益效果在于：

相比目前存在的鎢、鋼連接方式，本發明采用添加包套的熱等靜壓焊接，得到工件的致 密度較好，連接強度高性能可靠；同時合理控制焊接參數，可省略后續熱處理步驟；與真空 熱壓相比，生產效率大大提高；因此適合于未來聚變堆部件第一壁部件鎢和鋼的連接制造。

附圖說明

圖1為根據待加工工件尺寸制作的不銹鋼包套示意圖。

圖2為按照鋼、中間層材料、鎢的順序依次放入包套示意圖。

圖3為工件和包套組裝示意圖。

圖4為密封后工件示意圖。

其中，1-包套蓋板、2-包套、3-鋼工件、4-中間層工件、5-鎢工件。

具體實施方式