[发明专利]一种适用于聚变堆包层含流道部件的制造工艺

说明书

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。

背景技术

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α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，其服役条件极为苛刻：承受高能(14MeV)高通量聚变中子辐照、来自等离子体的α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苛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，很难满足第一壁苛刻环境的运行需求。

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6.3μm，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。

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＜6.3μm，机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＜6.3μm，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；部件各组成部分采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H2O、CO2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。

附图说明

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