专利名称：一种适用于聚变堆包层含流道部件的制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用聚变堆包层中含流道部件的制造工艺方法。
技术背景聚变堆包层是聚变堆中核心部件之一，主要功能是将聚变粒子(中子及oc离子)能量转换为可利用能量同时增殖氚以维持聚变反应。聚变堆包层最接近聚变等离子 体，环境严酷，其高温、强中子辐照以及复杂应力环境等对结构材料及包层的研制工作提出了巨大的挑战。低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)拥有较高的热导率、 较好的抗辐照肿胀等优越特性，并具有较为成熟的工业基础，成为未来聚变示范堆 和第一座商用聚变电站的首选包层结构材料。聚变堆包层制造技术是聚变堆技术发展的核心之一。其中包层第一壁直接面向 高温等离子体，其服^殳条件极为哿刻承受高能(14MeV)高通量聚变中子辐照、来 自等离子体的a离子高密度能量沉积、增殖剂及冷却介质的腐蚀等，这对第一壁的 性能提出了极高的要求。而且根据需要第一壁(例如附图1所示)及冷却板的设计 中含有多组矩形或者圆形冷却剂流道，结构复杂。用常规的加工方法无法制造出精 度及性能均能符合要求的含流道部件，例如采用铸造方法虽然可以制造出该形状的 部件，但是铸造中难以克服的偏析、缩孔以及铸造部件内部结晶组织无法满足在如 此哿刻条件下的服役要求；假如采用常规熔化焊接方法制备第一壁会有非常长的焊 缝，质量难以控制，而且焊缝处的性能与基材性能有较大差异，很难满足第一壁哿 刻环境的运行需求。发明内容为克服熔化焊接以及铸造等方法的缺点，本方法提供一种热等静压扩散焊接法 制造聚变堆包层第 一壁及冷却板等含流道部件的工艺方法。热等静压扩散焊接主要 过程是在高温下通过气体(如Ar或N2)对真空密封后的待焊接面施加相向高压， 使两个焊接面微观上的凹凸不平发生屈服变形及蠕变，从而紧密结合并发生原子扩 散和组织重结晶，使材料最终紧密结合在一起。采用该方法制备获得的部件焊接处的性能可以接近甚至达到基体材料的性能水平，因此热等静压扩散焊接方法很适合 用于聚变堆包层第一壁及冷却板等含流道部件的制备，也就是采用含流道矩形管材 与板材进行热等静压扩散焊接连接在一起制成第 一壁及冷却板平板模块，然后进行 采用适当弯曲工艺制成最终第 一壁及冷却板产品。本工艺方法也适用于其他有特殊 要求的类似含流道复杂部件。本发明技术方案如下适用于聚变堆包层含流道部件的制造工艺，其特征在于主要包括以下步骤1) 加工内侧为所需流道形状、外侧为矩形的管道以及一定厚度平板，并进行管 道外表面以及平板单面的精加工，粗糙度Ra低于6.3pm,机加工时不得采用含有S、 P、 Cl等元素的切削液；2) 对板材及管材进行超声波清洗等去污处理措施；3) 进行管道及平板真空炉内的加热除去表面吸附的H20、 C02等气体，真空度 需要优于1Pa;4) 进行矩形管道与平板的组装，并置于电子束焊机真空室中以除去焊接面之间 的残留气体(真空度优于10Pa),并进行电子束焊接待焊接面外围密封；5) 置入热等静压机进行热等静压扩散焊接，成型为含流道平板部件，热等静压 参数为50~200MPa/1000~1150°C/l~6h;然后根据需要进行进一步热处理、弯曲变形以及表面机加工。其热等静压扩散焊接前待焊接面表面加工要求，机加工粗糙度需达到Ra<6.3M m，才几加工时不得采用含有S、 P、 Cl等元素切削液。其热等静压扩散焊接前期处理方式，在对待焊接面清洗之后进行真空加热除气 处理，真空度要优于10Pa,以防止表面氧化并除去表面吸收的气体。其热等静压扩散焊接密封方式并采用电子束焊机进行待焊接面外围的密封焊 接，焊接前真空室真空度优于10Pa,以使待焊接面之间的残留气体尽量少。本发明中待焊接面表面加工要求机加工粗糙度需达到Ra<6.3 Mm，机加工时不 得采用含有S、 P、 Cl等元素的切削液，可以待焊接面保持很好的清洁度，以尽量 减少在焊接界面上产生损害性能的夹杂物；部件各组成部分釆用真空加热除气处理， 真空度要优于10Pa，以防止表面氧化并除去表面吸附的H20、 C02等气体，而且采用真空电子束焊接进行外围焊接时真空度要优于10Pa,这样可以获得高质量可靠的 真空密封环境，使热等静压扩散焊接获得的焊接处质量高，可达到或者接近基材性 能水平。
图1为本发明液态锂铅测试包层模块设计中第一壁及流道截面图。 图2为本发明液态锂铅聚变堆包层第一壁制造流程图。
具体实施方式
现在以中国液态锂铅聚变堆包层第一壁加工制造为例进行进一步说明。中国的液态锂铅聚变堆包层设计中采用中国低活化马氏体钢(CLAM)钢作为结 构材料。具体的制造步骤如图2，并详细说明如下1)制造CLAM钢板材以及矩形管道，并釆用磨床或者铣床进行精密表面加工， 表面粗糙度达到Ra<6. 3 in m;2 )对CLAM钢板材以及矩形管道进行超声波清洗(溶液为丙酮与酒精混合溶液) 以进行去污处理；3) 进行300 1000。C真空除气处理，真空度要求lPa以下，以除去吸附在CLAM 表面以及表层吸收和存储的H20， 02等气体，处理后保存在清洁干燥、气体保护或者 真空环境中；4) 将CLAM钢板材与矩形管道进行装配，并在在真空电子束焊机中进行管与板 待焊接面外围的焊接，焊接时真空度优于lPa,以营造高质量真空密封环境；5 )在热等静压炉中进行热等静压扩散焊接，热等静压参数为1000~1150°C/ 100~150MPa/2~6h。6)将含流道板进行加热弯曲成"U"型，并进行热处理以恢复材料性能，然后 进4亍必要的才几加工。采用该工艺过程制造的第一壁部件性能均一，可靠，没有熔化焊接法热影响区 等性能弱化区，也没有铸造部件的元素偏析以及气孔等缺陷，其中焊接处拉伸强度可达到基材水平，冲击强度也可达到基材的50%以上。另外采用该工艺过程制造的 第一壁在中子辐照条件下行为与基材一样，完全可满足聚变堆包层寿期内的性能需 求。
权利要求
1.一种适用于聚变堆包层含流道部件的制造工艺，其特征在于主要包括以下步骤1)加工内侧为所需流道形状、外侧为矩形的管道以及一定厚度平板，并进行管道外表面以及平板单面的精加工，粗糙度Ra低于6.3μm，机加工时不得采用含有S、P、Cl等元素的切削液；2)对板材及管材进行超声波清洗等去污处理措施；3)进行管道及平板真空炉内的加热除去表面吸附的H2O、CO2等气体，真空度需要优于1Pa；4)进行矩形管道与平板的组装，并置于电子束焊机真空室中以除去焊接面之间的残留气体(真空度优于10Pa)，并进行电子束焊接待焊接面外围密封；5)置入热等静压机进行热等静压扩散焊接，成型为含流道平板部件，热等静压参数为50～200MPa/1000～1150℃/1～6h；然后根据需要进行进一步热处理、弯曲变形以及表面机加工。
2. 根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于其热等静压扩散焊接前待焊接面表 面加工要求，机加工粗糙度需达到Ra<6.3um,机加工时不得采用含有S、 P、 Cl等元素切削液。
3. 根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于其热等静压扩散焊接前期处理方式， 在对待焊接面清洗之后进行真空加热除气处理，真空度要优于10Pa,以防止表 面氧化并除去表面吸收的气体。
4. 根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于其热等静压扩散焊接密封方式并釆 用电子束焊机进行待焊接面外围的密封焊接，焊接前真空室真空度优于lOPa, 以4吏待焊接面之间的残留气体尽量少。
全文摘要
本发明公开了一种适用于聚变堆包层含流道部件的制造工艺，首先根据设计制造板材以及含流道矩形管材，并进行精密表面加工，粗糙度Ra低于6.3μm；其次对上述零件进行清洗去污以及真空加热除气处理；再次将零部件在电子束焊机中抽真空并进行待焊接面外围的密封焊接；然后放在热等静压炉中进行热等静压扩散焊接成形；最后进行弯曲成型、热处理及加工等。采用本方法制造的含流道部件整体性能可靠、均一，没有熔化焊接法存在的热影响区等性能弱化区，也不会出现类似铸造部件中存在的元素偏析以及气孔等缺陷，特别适用于强中子辐照条件下的聚变堆包层含流道部件制造。
文档编号B23K20/24GK101332557SQ20081002114
公开日2008年12月31日 申请日期2008年7月25日 优先权日2008年7月25日
发明者吴宜灿, 李春京, 黄群英 申请人:中国科学院等离子体物理研究所