W/Cu/CuCrZr复合构件的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于耐高温、耐腐蚀、防辐射用复合材料领域，特别涉及一种W/Cu/CuCrZr复合构件的制备方法，该复合构件主要用于炉体、核、射线屏蔽等方面的材料，特别是作为核聚变反应堆面向等离子体用材料。
【背景技术】
[0002]核聚变反应堆中等离子体温度高达上亿度，离子速度高、冲刷力强，因而聚变堆中面向等离子体材料必须具有耐高温、抗冲刷、导热性能好的特点，常规材料难以满足核聚变堆的使用要求。目前ITER(国际热核聚变反应堆)采用W/Cu/CuCrZr管设计，可最大限度的提高材料的冷却能力，但由于热核聚变堆第一壁及偏滤器面向等离子体用W/Cu/CuCrZr管部件受热疲劳、电磁力等的交互作用，使用环境恶劣，需要W/Cu/CuCrZr管有良好的界面彡口口 ο
[0003]W/Cu/CuCrZr管或板连接可采用热等静压(HIP)、钎焊及应力热等静压三种方法，其中专利申请CN1538462A提到HIP制备W/Cu/CuCrZr管的方法，W02007/017798提出一种应力热等静压法制备W/Cu/CuCrZr管的设备，利用该设备，在一定温度下，在CuCrZr管内充入高气体，对Cu/CuCrZr界面施加单向压力，实现界面接触和实现W/Cu/CuCrZr管、CFC/Cu/CuCrZr管连接的方法；US2011/0132973提供一种钎焊法制备W/Cu/CuCrZr管的方法。但是上述工艺复杂、生产成本高。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种W/Cu/CuCrZr复合构件的制备方法。该方法制备的W/Cu/CuCrZr复合构件的界面结合强度高、工艺简单、成本低。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0006]—种W/Cu/CuCrZr复合构件的制备方法，依次包括工件处理、组装、封焊以及热等静压处理四个步骤，其中:
[0007]在所述工件处理步骤中，将W/Cu复合构件和与所述W/Cu复合构件配合使用的CuCrZr构件清洗干净，然后在W/Cu复合构件的待接触面和/或与所述W/Cu复合构件配合使用的CuCrZr构件的待接触面镀上厚度为O?0.2mm金属层；
[0008]在所述组装步骤中，按W/Cu/CuCrZr复合构件的结构，将CuCrZr构件的待接触面与所述W/Cu复合构件的待接触面配合在一起，然后放入包套中；
[0009]在所述封焊步骤中，将装有组装后W/Cu/CuCrZr复合构件的包套抽真空并封焊；
[0010]在热等静压处理步骤中，对封焊好的组装后W/Cu/CuCrZr复合构件进行热等静压处理。
[0011]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述W/Cu/CuCrZr复合构件为W/Cu/CuCrZr复合管；在所述工件处理步骤中，所述W/Cu复合构件为外层为W层、内层为Cu层的管状体，且所述W/Cu复合构件的待接触面为W/Cu复合构件的铜管内表面；所述CuCrZr构件具有管状结构，且所述CuCrZr构件的待接触面为CuCrZr构件的外表面；在所述组装步骤中，所述CuCrZr构件穿入所述W/Cu复合构件的铜管中，且所述W/Cu复合构件的内径与所述CuCrZr构件的外径为松配合。更优选地，所述松配合是指所述W/Cu复合构件内径与所述CuCrZr构件的外径的差值为大于Omm小于等于2mm，更优选所述差值为0.5_lmm。在组装过程中，所述W/Cu复合构件的内表面与所述CuCrZr构件的外表面之间留有一定空隙，一方面是为了组装方便，另一方面是避免铜管壁厚变薄而使其功能受限。
[0012]在上述制备方法中，当所述W/Cu/CuCrZr复合构件为W/Cu/CuCrZr复合管时，所述W/Cu复合构件为外层为W层、内层为Cu层的管状体，更具体地，所述W/Cu复合构件包括:位于外层的钨管层，其是由多块中间带有通孔的钨块并排组成的；以及固定并贯穿于所述多块钨块的各通孔内表面的铜管，所述铜管将所述多块并排的钨块连接在一起。
[0013]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述W/Cu/CuCrZr复合构件为W/Cu/CuCrZr复合板；在所述工件处理步骤中，所述W/Cu复合构件为W层和Cu层的复合板，且所述W/Cu复合构件的待接触面为W/Cu复合构件的Cu层；所述CuCrZr构件具有板状结构，且所述CuCrZr构件的待接触面为CuCrZr构件的其中一表面；在所述组装步骤中，所述CuCrZr构件的待接触面与所述W/Cu复合构件的待接触面贴合在一起。
[0014]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述工件处理步骤中，所述金属层为Ni层、Mn层和Ti层中的一种或多种。
[0015]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述工件处理步骤中，所述金属层的厚度为0.1-0.2mm。
[0016]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述封焊的气氛为空气或真空；或者所述封焊的气氛为非活性气体(包括惰性气体和/或N2)或/和还原性气体，所述非活性气体优选为Ar和/或N2;所述还原性气体优选为H 2、CO和NH3中的一种或多种。
[0017]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述抽真空具体为:在室温_800°C条件下抽真空至< 10_2Pa。示例性地，所述抽真空具体为:在室温条件下抽真空至10_3Pa，在100°C条件下抽真空至5 X 10?,在300°C条件下抽真空至l(T2Pa，在650°C条件下抽真空至l(T3Pa，在680°C条件下抽真空至l(T3Pa，在750°C条件下抽真空至l(T3Pa，在780°C条件下抽真空至10_4Pa。更优选地，所述抽真空具体为:在200-300°C条件下抽真空至< 10_3Pa。
[0018]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述热等静压处理步骤中，所述热等静压处理的烧结温度为500?1070°C、烧结压力为20?200MPa、保压时间为0.5_10h。示例性地，所述烧结温度为520 0C、580 0C、640 V、700 V、800 V、900 V或1000 V，所述烧结压力为 25MPa、45MPa、60MPa、70MPa、85MPa、100MPa、120MPa、150MPa、170MPa 或 190MPa，所述保压时间为 0.8h、l.0h、l.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、3.9h、5h、8h 或 9.5h。更优选地，所述热等静压处理的烧结温度为500?650°C、烧结压力为80?120MPa、保压时间为2_3h。
[0019]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:本发明通过热等静压工艺依靠两种材料固相扩散实现界面的连接，热等静压工艺温度低，得到的复合管的界面结合强度高，材料没有热影响区，焊接温度控制精确，有利于控制焊接材料的组织。另外，通过在W/Cu复合构件和CuCrZr构件的表面镀上一定厚度的金属层来提高界面的结合质量。本发明制备的W/Cu/CuCrZr复合构件主要用于炉体、核、射线屏蔽等方面的材料，尤其是核聚变反应堆中等离子体屏蔽用复合材料，其主要采用热等静压法制备，本发明工艺具有操作简单、工装设备可重复利用、成本低廉等优点，而且得到的W/Cu/CuCrZr复合构件具有高界面结合强度。
【附图说明】
[0020]图1为W/Cu/CuCrZr复合管的截面示意图。
[0021]其中，附图标记说明如下:1、无氧铜层，2、W块，3、CuCrZr管
【具体实施方式】
[0022]为了使本发明的特征和优点更加清楚，本发明采用了以下实施例进行详细说明。
[0023]下面实施例1-7为W/Cu/CuCrZr复合管的制备方法，实施例8为W/Cu/CuCrZr复合板的制备方法。
[0024]实施例1
[0025]本实施例制备的W/Cu/CuCrZr复合管具有如下结构:如图1所示，该复合管包括:位于最外层的钨管层，其是由多块中间带有通孔的钨块2并排组成的；固定于钨块2的各通孔内表面的无氧铜层1，无氧铜层I即铜管将多块钨块连接在一起；以及套设并固定于无氧铜层I内表面的CuCrZr管3 ;其中CuCrZr管内的通道作为冷却水通道。
[0026]具体制备方法如下:
[0027]I) W/Cu复合构件的制备参照公开号为CN102794612A的专利申请中记载的W/Cu复合构件的制备方法。
[0028]2)工件处理:将W/Cu复合构件、以及与W/Cu复合构件内径松配合的CuCrZr管清洗干净，其中，W/Cu复合构件内径与CuCrZr管的外径之差为0.1mm ；
[0029]3)组装:按W/Cu/CuCrZr复合管的结构，将CuCrZr管穿入W/Cu复合构件的铜管中，然后将其装入20#钢包套中；
[0030]4)封焊:将装有W/Cu/CuCrZr管的包套在700°C条件下抽真空至10_3Pa，氩弧焊封焊;
[0031]5)热等静压处理:将封焊后的包套放入热等静压设备中，于1070°C、200Mpa的条件下热等静压处理0.5h，去除包套后得到W/Cu/CuCrZr复合管。
[0032]采用本实施例工艺共制备了 20根W/Cu/CuCrZr复合管，在这20根复合管中Cu层与CuCrZr复合管之间的界面拉伸强度的平均值为160Mpa(Cu断裂)。
[0033]实施例2
[0034]本实施例制备的W/Cu/CuCrZr复合管具有如下结构，包括:位于最外层的钨管层，其是由多块中间带有通孔的钨块2并排组成的；固定于钨块2的各通孔内表面的无氧铜层1，无氧铜层I即铜管将多块钨块连接在一起；镀于无氧铜层I表面的Ni层，以及套设并固定于Ni层内表面的CuCrZr管3 ;其中CuCrZr管内的通道作为冷却水通道。
[0035]具体制备方法如下:
[0036]I) W/Cu复合构件的制备参照公开号为CN102794612A的专利申请中记载的W/Cu复合构件的制备方法。
[0037]2)工件处理:在步骤I)制备的W/Cu复合构件的Cu孔内表面化学镀0.02mmNi层，并将镀有Ni层的W/Cu复合构件以及与W/Cu复合构件内径松配合的CuCrZr管清洗干净，其中，W/Cu复合构件内径与CuCrZr管的外径之差为0.5mm ；
[0038]3)组装:按W/Cu/CuCrZr复合管的结构，将CuCrZr管穿入W/Cu复合构件的铜管内，然后将其装入钢包套中；
[0039]4)封焊:将装有W/Cu/CuCrZr管的包套在室温条件下抽真空至10_2Pa，并封焊；
[0040]5)热等静压处理:将封焊后的包套放入热等静压设备中，于1000°C、20Mpa的条件下热等静压处理2h，去除包套后得到W/Cu/CuCrZr复合管。
[0041]采用本实施例工艺参数制备了 20根W/Cu/CuCrZr复合管，在这20根复合管中Cu层与CuCrZr复合管之间的界面拉伸强度的平均值为170Mpa。
[0042]实施例3
[0043]本实施例制备的W/Cu/CuCrZr复合管具有如下结构，包括:位于最外层的钨管层，其是由多块中间带有通孔的钨块2