一种适用于聚变堆第一壁部件钨和钢连接的制造工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种适用于聚变堆第一壁部件钨和钢连接的制造工艺，属金属扩散焊接领域。
【背景技术】
[0002]钨具有高熔点、低溅射率、较好物理和化学抗性等特点，被认为是未来聚变堆面向等离子体材料的备选之一，目前托克马克设备的偏滤器部件就由钨与热沉材料铜及其合金加工而成。为适应未来聚变反应堆高中子环境的苛刻条件，热沉材料必须具有低活化特性，聚变堆包层和下一代偏滤器的结构及热沉材料首选低活化铁素体马氏体钢(RAFi^H)，目前钨与RAFM钢的连接主要难点在于二者的热物理性能差别较大，焊接后及热处理时二者因热膨胀系数不同产生不同的热应力，使得连接处出现裂纹。
[0003]近年来，研究人员尝试采用真空等离子喷涂、钎焊、扩散焊接等方法对钨和钢进行连接，结果如下:真空等离子喷涂获得的钨涂层，结合强度较弱且致密度较低;钎焊的缺点在于钎料需要加热到较高温度，易导致基体组织粗化，且焊后对基体材料进行热处理时易出现裂纹，另因钎料多含有活化金属元素，不适于聚变堆的工作环境。
[0004]目前国内对于钨/钢的扩散焊接主要采用两种方式:真空热压和热等静压。二者的共同点是通过添加中间层来缓解因热膨胀系数不同导致的工件残余应力过大现象，都属于无金属熔化的固相焊接，不进行热处理仅靠控制加热温度，即可得到致密可靠的焊接工件。真空热压方法的缺点在于，它一次只能加工一个工件，不适于批量生产。热等静压扩散焊接不限制工件数量，只取决于炉膛尺寸，生产效率较高，因此适合于聚变堆第一壁部件钨和钢连接制造。
【发明内容】
[0005]本发明是为解决现有技术中因钨、钢因热膨胀系数差异较大导致连接性能差的问题，提供了一种适用于聚变堆第一壁部件钨和钢连接的制造工艺。
[0006]为实现上述目的，本发明的采用的技术方案是:
一种适用于聚变堆第一壁部件钨和钢连接的制造工艺，其特征在于，工艺步骤为:
1)机加工:按照设计要求加工钨、钢及中间层材料的工件，并对三种材料的待焊接面进行表面精加工，加工后的表面粗糙度Ra <3.2μπι;
2)清洗:将加工后的工件用超声波去污清洗，超声波清洗采用丙酮作为清洗剂，清洗时间不低于30min，去除机加工表面污迹，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:根据上述待加工工件尺寸制作304或316不锈钢包套，包套包括有包套本体和上、下两个包套盖板，包套是用来固定工件，并为工件提供真空或保护气氛下焊接支撑的工装，在热等静压完成后去除；
4)装配:当具备焊接条件时，将工件从真空环境中取出，用酒精擦去表面浮尘，操作环境要求为无尘环境，按照钢、中间层材料、钨的顺序，将工件依次放入包套； 5)封装:用电子束焊或者氩弧焊焊接方法对包套进行密封，焊接须在真空环境中进行，要求真空度小于10—1Pa,除气时间大于30min;
6)焊接:将密封后的工件和包套放入热等静压机中进行焊接，加压气体采用高纯氩气，在温度600?1080°C，压力100~300MPa的焊接环境中保温1.5?6h，采用随炉冷却，低于150°C后出炉，防止工件再次氧化；
7)热处理:如果热等静压焊接时的温度高于钢的奥氏体转变开始温度，须对上述工件和包套进行焊接后的热处理，处理工艺与所用钢材料的热处理工艺相同。
[0007]所述的一种适用于聚变堆第一壁部件钨和钢连接的制造工艺，其特征在于，所述中间层材料采用钛、钒或镍。
[0008]本发明的有益效果在于:
相比目前存在的钨、钢连接方式，本发明采用添加包套的热等静压焊接，得到工件的致密度较好，连接强度高性能可靠；同时合理控制焊接参数，可省略后续热处理步骤;与真空热压相比，生产效率大大提高；因此适合于未来聚变堆部件第一壁部件钨和钢的连接制造。
【附图说明】
[0009]
图1为根据待加工工件尺寸制作的不锈钢包套示意图。
[0010]图2为按照钢、中间层材料、钨的顺序依次放入包套示意图。
[0011]图3为工件和包套组装示意图。
[0012]图4为密封后工件示意图。
[0013]其中，1-包套盖板、2-包套、3-钢工件、4-中间层工件、5-钨工件。
【具体实施方式】
[0014]现以中国聚变工程试验反应堆水冷陶瓷包层第一壁钨与低活化钢热等静压焊接为例进行更进一步的说明。
[0015]如图1-4所示，一种适用于聚变堆第一壁部件钨和钢连接的制造工艺，工艺步骤为:
I)机加工:按照设计要求加工钨工件5、中间层工件4、钢工件3，其中钨工件5的尺寸为12mmX50mmX 2mm(为避免焊接时大尺寸妈材料开裂，本工件选用多片小尺寸妈排列焊接)，钢工件3采用RAFM钢，基体尺寸为60mm X 50mm X 25mm，中间层工件4采用钛，尺寸为12mm X50mmX0.5mmo
[0016]2)对上述三种材料的待焊接面进行精加工，表面粗糙度Ra < 3.2μπι(表面粗糙度越低，元素之间的扩散越容易，焊接效果越好)；
3)清洗:以丙酮作为清洗剂，用超声波方式清洗待加工件，清洗时间不低于30min，以去除机加工表面油脂等脏物;清洗后工件真空密封，防止表面污染及氧化；
4)包套制作:根据上述待加工工件尺寸制作304不锈钢包套(如图1所示)，包套包括包套本体2和上、下两个包套盖板I，包套是用来固定工件，并为工件提供真空或保护气氛下焊接支撑的工装，通常在热等静压完成后去除；
5)装配:当具备焊接条件时，将工件从真空环境中取出，用酒精擦去表面浮尘(操作环境要求为无尘环境)，按照钢、钛、钨的顺序依次放入包套(如图2所示)；
6)封装:由于钛金属容易氧化，且不能用常规氢还原方法去除氧化层(因钛易吸氢)，所以采用电子束焊接的方法对包套进行密封(如图3、4所示)；电子束焊须在真空环境中进行，真空度要求为6X10—2Pa,除气时间大于60min，以充分去除氧气；
7)焊接:将密封后的工件和包套放入热等静压机中进行焊接，加压气体采用高纯氩气，在最终加热温度900° C，压力10MPa的焊接环境中保温2h，后采用随炉冷却，为防止工件再次氧化，须低于150°C后出炉；
8)热处理:由于热等静压温度高于RAFM钢的奥氏体转变开始温度885°C，需对焊接后工件进行热处理，在不去除包套条件下，对整个工件进行正火+回火的热处理工艺:(a)首先在980°C的环境中保温30min;(b)空冷至室温；(c)再次加热至760°C并保温30min，(d)空冷至室温。反应堆水冷陶瓷包层第一壁钨、中间层钛、RAFM钢三种材料的热等静压焊接完成。
[0017]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
【主权项】
1.一种适用于聚变堆第一壁部件钨和钢连接的制造工艺，其特征在于，工艺步骤为: 机加工:按照设计要求加工钨、钢及中间层材料的工件，并对三种材料的待焊接面进行表面精加工，加工后的表面粗糙度Ra < 3.2μπι; 清洗:将加工后的工件用超声波去污清洗，超声波清洗采用丙酮作为清洗剂，清洗时间不低于30min，去除机加工表面污迹，并把清洗后的工件真空密封，防止表面污染及氧化；包套制作:根据上述待加工工件尺寸制作包套，包套包括有包套本体和上、下两个包套盖板，包套是用来固定工件，并为工件提供真空或保护气氛下焊接支撑的工装，在热等静压完成后去除； 装配:当具备焊接条件时，将工件从真空环境中取出，用酒精擦去表面浮尘，操作环境要求为无尘环境，按照钢、中间层材料、钨的顺序，将工件依次放入包套； 封装:用电子束焊或者氩弧焊焊接方法对包套进行密封，焊接须在真空环境中进行，要求真空度小于10—1Pa,除气时间大于30min; 焊接:将密封后的工件和包套放入热等静压机中进行焊接，加压气体采用高纯氩气，在温度600?1080°C，压力100?300MPa的焊接环境中保温1.5?6h，采用随炉冷却，低于150°C后出炉，防止工件再次氧化； 热处理:如果热等静压焊接时的温度高于钢的奥氏体转变开始温度，须对上述工件和包套进行焊接后的热处理，处理工艺与所用钢材料的热处理工艺相同。2.根据权利要求1所述的一种适用于聚变堆第一壁部件钨和钢连接的制造工艺，其特征在于，所述中间层材料采用钛、钒或镍。3.根据权利要求1所述的一种适用于聚变堆第一壁部件钨和钢连接的制造工艺，其特征在于，所述包套采用304或316不锈钢材料。
【专利摘要】本发明公开了一种适用于聚变堆第一壁部件钨和钢连接的制造工艺，属于金属扩散焊接领域，其工艺步骤如下：1、按要求加工钨、钢及中间层材料工件，精加工待焊接面；2、加工后工件用超声波去污清洗并真空密封；3、制作不锈钢包套；4、将工件依次放入包套，用电子束焊或者氩弧焊密封包套；5、密封后的工件和包套放入热等静压机中进行焊接，加压气体采用高纯氩气，在温度600~1080°C，压力100~300MPa的焊接环境中保温1.5~6h，采用随炉冷却，低于150°C后出炉；6、进行必要的热处理工艺。本发明解决了现有技术中因钨、钢因热膨胀系数差异较大导致的连接性能差的问题，提高了钨、钢的连接强度及可靠性。
【IPC分类】B23K28/02, B23K9/235, B23K15/00, B23K9/16
【公开号】CN105499816
【申请号】CN201610079839
【发明人】王纪超, 罗广南, 李强, 王万景
【申请人】中国科学院等离子体物理研究所
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2016年2月2日