熱等靜壓法制備CFETR包層第一壁鎢-鋼模塊研究.pdf

1、CFETR水冷包層第一壁是由面向等離子體材料鎢和結(jié)構(gòu)材料鐵素體/馬氏體鋼組成的。嚴(yán)苛的聚變堆環(huán)境要求鎢和鋼必須以冶金結(jié)合的方式連接，并獲得缺陷率較低的焊接接頭。針對(duì)此項(xiàng)技術(shù)要求，本論文從模擬和試驗(yàn)兩個(gè)方面開展了熱等靜壓工藝制備高性能鎢和鋼連接的研究。
　　首先，針對(duì)鎢/鋼熱等靜壓焊接過程中存在的中間層影響，利用ANSYS有限元法計(jì)算了采用不同中間層的鎢/鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的分布情況。結(jié)果表明:殘余應(yīng)力受中間層材料屈服強(qiáng)度及熱膨脹系

2、數(shù)影響;當(dāng)殘余應(yīng)力足夠大時(shí)，具有較小屈服強(qiáng)度的金屬趨于首先變形，擁有較小屈服強(qiáng)度的中間層可以有效緩釋鎢和鋼之間的殘余應(yīng)力。
　　其次，利用ANSYS有限元法分析了包含不同材料和厚度中間層的第一壁小模塊在熱輻照工況下的溫度場(chǎng)分布。結(jié)果表明:隨著中間層厚度的增加，鎢和中間層金屬的最高溫度呈緩慢線性增長(zhǎng)，而鋼的最高溫度變化幅度較小。包層第一壁在設(shè)定熱輻照工況下，當(dāng)中間層鈦，鎳，銅厚度小于2mm時(shí)，部件溫度未超出各材料的可用范圍。

3、　　在理論分析的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)研究了包含不同中間層的鎢/鋼熱等靜壓焊接接頭的組織和性能。試驗(yàn)結(jié)果表明:在特定溫度范圍內(nèi)，采用較高的焊接溫度將獲得連接強(qiáng)度更高的焊接接頭;鎢/中間層/鋼焊接接頭多以脆性方式斷裂，無脆性反應(yīng)產(chǎn)物的接頭連接強(qiáng)度較高，甚至可能以塑性方式失效。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)鎢/鈦/鋼接頭的焊接強(qiáng)度相對(duì)較高，但是在一個(gè)大氣壓的氘氣壓強(qiáng)暴露下，鈦中間層會(huì)氫致脆裂。為了防止氫致金屬斷裂，未來研究鎢/中間層/鋼焊接過程中要考慮氫同位素暴露問題，

4、進(jìn)而驗(yàn)證焊接接頭是否適用于聚變堆氫同位素環(huán)境。
　　最后，試驗(yàn)研究了鋼材在熱等靜壓過程中組織和性能的變化，試驗(yàn)結(jié)果表明:去除包套后的鎢/中間層/鋼接頭易在正火過程中發(fā)生崩裂;未發(fā)生崩裂的焊接接頭，鋼的組織可以回復(fù)到接近母材水平，但接頭連接強(qiáng)度會(huì)受到影響。
　　通過分析對(duì)比試驗(yàn)和模擬結(jié)果，可以得到如下結(jié)論:無論從界面反應(yīng)產(chǎn)物，熱應(yīng)力緩釋或最終失效方式來看，用銅/鎳作為中間層熱等靜壓焊接得到的鎢/鋼接頭的性能具有明顯優(yōu)勢(shì);若未來