一种爆炸复合生产聚变堆包层内含流道部件的装置及方法与流程

本发明属于材料复合加工技术领域，具体涉及一种爆炸复合生产聚变堆包层内含流道部件的装置及方法。

背景技术：

聚变堆包层是聚变反应堆的核心部件，其主要功能是增殖氚以维持聚变反应的同时转换利用聚变粒子(中子及α离子)的能量。反应堆内产生的高能(14mev)高通量中子辐照及高能量密度热流(>1mw/m²)对包层的耐热力学性能提出了严苛的考验。目前最有效的解决该问题的办法就是在面向热荷载的包层第一壁的内部安装冷却板，利用板内流通的冷却剂吸收上述热能，消除热荷载对部件的损伤，同时其带出的大量热能可以供日常使用。但是，冷却板内含有多组直线型流道和以u型流道为代表的异型流道，后者结构相对复杂，由于直线流道和异型流道内部构造差异明显，常规制造时需要采用不同的方法分别加工。

目前生产制造聚变堆包层内含直线型流道部件采用的方法有热等静压扩散连接，如专利cn100586638c，该方法在高温高压下实现了复合界面的原子间紧密结合，解决了传统铸造法的缩孔、偏析等明显结构缺陷问题，但是该方法受限于进行热等静压连接的设备尺寸，加工大尺寸流道比较困难。此外，专利cn105478991b提出用低熔点金属和碳钢板填充流槽，通过爆炸复合的方式来复合成流道。该方法为制备较小尺寸直线型流道提供了很好的解决思路，但是仍存在一定的技术缺陷，一方面金属颗粒之间及金属颗粒与碳钢板之间在填充后存在空气间隙，爆炸作用下流道容易变形，另一方面，当制造异型复杂流道或尺寸较大的直线型流道时，金属材料填充物在爆炸和后期加热的过程中容易被氧化，高熔点的氧化物附着在流道内不易去除，所以该方法具有一定的局限性。

目前生产制造聚变堆包层内含异型流道部件基本采用的是热等静压扩散连接方法，该方法是一种将异型管和内外平板通过热等静压扩散复合为一体的三明治式工艺。专利cn100586638c提出，在用热等静压法得到直线流道后，对流道进行整体弯曲处理进而获得异型流道，该方法确实简化了加工异型流道的工序，但是整体弯曲容易造成流道的畸变，且在后期无法矫正。专利cn102294577b对上述方案进行了改良，通过预先弯曲内外平板并在其表面车铣异型流槽，然后对预弯曲成型的异型管通过液压胀型再次成型，最后再进行热等静压扩散连接。该方法巧妙地解决了流道成型后再弯曲塑形带来的畸变问题，但是其工序复杂，异型管对流槽形状的适应性需要反复进行液压胀型成型调试，并且异型管的弯角在热等静压过程中容易出现二次变形，影响流道尺寸的精度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种聚变堆包层内含直线型或异型流道部件的制造方法。鉴于现有方案存在的技术缺陷及应用局限，本发明通过爆炸复合的方式实现流槽和覆盖板之间的复合，为实现能同时加工直线型流道和异型流道的目的，本发明在铣好流槽的板件和覆盖板层中添加弱酸弱碱盐粉末和低熔点金属颗粒混合填充物，并对填充物做压实处理，保障了流道不发生变形的同时能顺利地去除填充物，提升了复合连接的质量和成功率。

本发明提出的技术方案如下：一种爆炸复合生产聚变堆包层内含流道部件的装置，包括：千斤顶，金属压条，流槽，弱酸弱碱盐粉末和低熔点金属颗粒混合填充物，雷管，炸药层，pvc发泡板缓冲层，覆盖板材，金属箔卷制的支撑柱和沙土地面，其中，千斤顶的压头位于金属压条的上方，工作时与金属压条的上表面紧密贴合，通过对金属压条施加压力，使得弱酸弱碱盐粉末和低熔点金属颗粒混合填充物被充分压实；金属压条的侧壁面与流槽的流槽口内壁面紧密相切，在受到千斤顶的压力后压缩弱酸弱碱盐粉末和低熔点金属颗粒混合填充物；雷管布置在炸药层的左侧中央位置，用于起爆炸药；pvc发泡板缓冲层位于炸药层和覆盖板材中间，用于保护覆盖板材，避免炸药爆炸释放的热量对覆盖板材表面的烧蚀，炸药层、pvc发泡板缓冲层、覆盖板材之间彼此紧密贴合；金属箔卷制的支撑柱位于覆盖板材和流槽之间，用于固定流槽和覆盖板材之间的距离，给予覆盖板材合适的加速距离；流槽水平放置在平整的沙土地面上，沙土可衰减上述部件的运动速度，避免复合流道部件飞散。

一种爆炸复合生产聚变堆包层内含流道部件的方法，包含如下步骤：

步骤(1)、在板件上机械铣出流槽形状，加工覆盖板材及适应流槽形状且高度大于流槽的金属压条；

步骤(2)、在流槽内加入混合材料填充物，并用千斤顶将其压实紧密；

步骤(3)、固定流槽和覆盖板材的相对位置，将炸药置于复板上方，炸药与复板之间添加缓冲层；

步骤(4)、引爆雷管，爆炸得到复合流道部件，加热去除填充材料。

进一步地，所述步骤(1)的流槽形状包括直线型流槽和异型流槽；

进一步地，所述步骤(2)流槽内的混合填充材料为弱酸弱碱盐粉末和低熔点金属颗粒按一定比例混合均匀所得；

进一步地，所述步骤(2)千斤顶通过金属压条将填充物压实紧密后，重复填充压实的步骤，直至填充材料与流槽表面平齐，单次千斤顶的压力保持为5mpa不变；

进一步地，所述步骤(3)炸药与复板之间添加缓冲层，缓冲层为厚度为2～5mm厚的pvc发泡板，通过双面胶带粘贴在复板背面。

本发明与现有技术方案相比的优点在于：

(1)本发明对爆炸复合前流槽内的填充物进行了千斤顶压实处理，这样既避免了填充物在爆炸振动作用下进入待复合界面导致的焊合失败，同时又极大程度地减小了界面两侧材料的波阻抗之差，消除了爆轰波在复合界面两侧因波阻抗突变产生的巨大作用力，保障了流道形状和微观结构的完好性以及整体强度的均匀和稳定性。

(2)本发明在填充流槽时使用的填充材料为弱酸弱碱盐粉末和低熔点金属颗粒的混合物，弱酸弱碱盐受热易分解的特性会让填充物整体在升温时变得松散，同时其分解产生的还原性气体能保护低熔点金属不被氧化，从而保证加热流道时填充物能被轻松彻底地去除，得到的流道内没有任何附着物，更好地满足了其使用要求。

(3)本发明不受制造设备尺寸的限制，可以制造尺寸较大的直线型流道和形状复杂的异型流道，且制造精度有保障，具有更广泛的应用价值。

附图说明

图1为流槽内填充材料压实示意图；

图2为爆炸复合方法生产流道部件的方案示意图。

图中数字标号指代内容：1为千斤顶；2为金属压条；3为流槽；4为弱酸弱碱盐粉末和低熔点金属颗粒混合填充物；5为雷管；6为炸药层；7为pvc发泡板缓冲层；8为覆盖板材；9为金属箔卷制的支撑柱；10为沙土地面。

具体实施方式

结合附图具体说明实施方式。

实施例1

一种爆炸复合生产聚变堆包层内含流道部件的装置，包括：千斤顶1，金属压条2，流槽3，弱酸弱碱盐粉末和低熔点金属颗粒混合填充物4，雷管5，炸药层6，pvc发泡板缓冲层7，覆盖板材8，金属箔卷制的支撑柱9和沙土地面10，其中，千斤顶1的压头位于金属压条2的上方，工作时与金属压条2的上表面紧密贴合，通过对金属压条2施加压力，使得弱酸弱碱盐粉末和低熔点金属颗粒混合填充物4被充分压实；金属压条2的侧壁面与流槽3的流槽口内壁面紧密相切，在受到千斤顶1的压力后压缩弱酸弱碱盐粉末和低熔点金属颗粒混合填充物4；雷管5布置在炸药层6的左侧中央位置，用于起爆炸药；pvc发泡板缓冲层7位于炸药层6和覆盖板材8中间，用于保护覆盖板材8，避免炸药爆炸释放的热量对覆盖板材8表面的烧蚀，炸药层6、pvc发泡板缓冲层7、覆盖板材8之间彼此紧密贴合；金属箔卷制的支撑柱9位于覆盖板材8和流槽3之间，用于固定流槽3和覆盖板材8之间的距离，给予覆盖板材8合适的加速距离；流槽3水平放置在平整的沙土地面10上，沙土可衰减上述部件的运动速度，避免复合流道部件飞散。

实施例2

一种爆炸复合生产聚变堆包层内含流道部件的方法，包含如下步骤：

(1)在板件上机械铣出直线矩形流槽形状，加工覆盖板材及截面相同但高度大于流槽的矩形金属压条；

(2)先后用打磨机和砂纸将待复合的流槽和复板表面打磨光滑，并用酒精擦拭去污；

(3)如附图1所示，将流槽3置于千斤顶1中，流槽3为任意形状的流槽板件，流槽内灌入弱酸弱碱盐粉末和低熔点金属颗粒混合填充物4，金属压条2置于流槽正上方，控制千斤顶1的压力为5mpa，重复填充压实的过程，直至填充物表面与流槽上表面平齐，压实结束；

(4)弱酸弱碱盐粉末可为碳酸铵或碳酸氢铵等，低熔点金属可为锡、铅等；

(5)如附图2所示，将流槽3放置在平整的沙土地面10上，流槽3和覆盖板材8之间是由金属箔卷制的支撑柱9，高度为2～7mm，用来控制复板的来撞速度；炸药层6置于最上方，其下方为pvc发泡板缓冲层7，用来避免复板受高温灼伤，雷管5预埋在炸药层6的一端。

(6)引爆雷管，爆炸压力作用下，覆盖板材8和流槽3形成原子间的紧密结合，对复合后部件进行整体加热，温度升至弱酸弱碱盐的熔点，使其升华成还原性气体停留在管道内，然后继续升温至其填充金属的熔点，使其熔化流出，进而得到无任何附着物的流道部件。

(7)该方法生产得到的聚变堆包层内含直线流道部件形状结构完好，不存在裂缝、变形及晶粒粗大等微观缺陷。同时，其强度稳定均匀，没有性能弱化区，整体性能良好，能充分满足中子辐照条件下包层流道的服役要求。

实施例3

一种爆炸复合生产聚变堆包层内含流道部件的方法，包含如下步骤：

(1)在板件上机械铣出u型流槽形状，加工覆盖板材及截面相同但高度大于流槽的u形金属压条；

(2)先后用打磨机和砂纸将待复合的流槽和复板表面打磨光滑，并用酒精擦拭去污；

(3)如附图1所示，将流槽3置于千斤顶1中，流槽3为任意形状的流槽板件，流槽内灌入弱酸弱碱盐粉末和低熔点金属颗粒混合填充物3，金属压条2置于流槽正上方，控制千斤1的压力为5mpa，重复填充压实的过程，直至填充物表面与流槽上表面平齐，压实结束；

(4)弱酸弱碱盐粉末可为碳酸铵或碳酸氢铵等，低熔点金属可为锡、铅等；

(5)如附图2所示，将流槽3放置在平整的沙土地面10上，流槽3和覆盖板材8之间是由金属箔卷制的支撑柱9，高度为2～7mm，用来控制复板的来撞速度；炸药层6置于最上方，其下方为pvc发泡板缓冲层7，用来避免复板受高温灼伤，雷管5预埋在炸药层6的一端。

(6)引爆雷管，爆炸压力作用下，覆盖板材8和流槽3形成原子间的紧密结合，对复合后部件进行整体加热，温度升至弱酸弱碱盐的熔点，使其升华成还原性气体停留在管道内，然后继续升温至其填充金属的熔点，使其熔化流出，进而得到无任何附着物的流道部件。

(7)该方法生产得到的聚变堆包层内含u型弯曲流道部件形状结构完好，不存在裂缝、变形及晶粒粗大等微观缺陷。同时，其强度稳定均匀，没有性能弱化区，整体性能良好，能充分满足中子辐照条件下包层流道的服役要求。