[发明专利]热核聚变实验堆用防氚渗透无缝U形管路的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合管路制备技术领域，特别涉及一种热核聚变实验堆用带有耐腐蚀及阻氚渗透的无缝U形复合管路的制备方法。

背景技术

聚变能是一种“永久性”能源，是解决能源危机的最终途径。国际热核聚变实验堆ITER是验证各种与聚变相关的关键技术的试验平台，为未来建造商用示范堆提供了关键的技术和数据基础。其中ITER实验包层模块(TBM)是验证未来聚变堆包层的氚增殖、电磁特性、热工水力以及整体集成技术的关键实验设施之一。随着ITER国际合作计划的开展，各参与国均发展了各自的测试包层模块(TBM)以探索研究其包层技术。

试验包层模块中，采用RAMF钢或奥氏体不锈钢制备的U形管路在运行过程中不仅面临液态Li₂Pb的腐蚀及放射性气体氚的渗透，因此管路必须具备优良的耐腐蚀性和尽可能低的氚渗透率。单一金属材质的管路难以满足上述苛刻要求。鉴于氚在Al₂O₃陶瓷中渗透率很低，所以在U形管路表面制备Al₂O₃陶瓷防氚渗透层成为可行的解决方案。此方案既保证了U形管路的结构性能，也保证了管路耐锂铅腐蚀和抑制氚渗透的性能。方案对于试验包层模块的高效、安全运行具有重大的工程价值。

对于Al₂O₃陶瓷阻氚涂层的制备，目前主要采用的方法有化学气相沉积法、热浸镀铝氧化法、等离子喷涂法及包埋法等。

化学气相沉积法是通过赋予原料气体不同的能量，在反应器中混合，使其因化学反应而生成的固相膜沉积在基体上。化学气相沉积法制备的氧化铝涂层因表面存在裂纹缺陷而导致阻氚渗透效果不理想。另外，该方法沉积氧化铝速率低、反应温度高，易引起基体组织的结晶、再长大等变化，降低基体金属的强度和影响工件形状尺寸。热浸镀法是将待镀件浸入熔融的铝液之中，基体材料与铝发生反应达到冶金结合。然后通过氧化工艺制备氧化铝涂层。利用该方法制备Al₂O₃涂层时，涂层内部易产生微小孔洞和裂纹，氚通过孔洞和裂纹进行扩散，使防氚渗透效果较差。等离子喷涂法是用等离子体发生器产生等离子体，同时送粉管中的粉末在等离子焰流中被加热到熔融状态，高速喷涂在零件表面。当熔融的球形粉末撞击零件表面时，发生塑性变形，附着在零件表面，各颗粒也依靠塑性变形而相互粘结。随着喷涂时间增长，零件表面就获得了一定厚度的喷涂层。采用此方法制备的氧化铝涂层，表面较为粗糙，组织呈片层状，孔洞较多。涂层中的孔洞和裂纹会影响涂层的阻氚效果。包埋法是将零件表面清洁后埋入铝粉、碳粉等粉末中，在密封、真空或者气氛保护的环境下加热到特定温度，长时间保温，利用扩散在零件表面生成一定厚度的化合物层。利用该方法生产铝渗层时，材料表面的铝含量易发生改变，将影响基体材料的组织和性能。利用此方法制备Al₂O₃阻氚渗透涂层时，涂层内部同样容易产生微小的孔洞和裂纹，涂层的防氚渗透效果不甚理想。

综合分析目前的Al₂O₃阻氚涂层制备技术，可以发现：现有技术制备的Al₂O₃涂层阻氚效果普遍较差；另外，现有技术难以在形状相对复杂的热核聚变实验堆用无缝U形管路表面制备氧化铝陶瓷涂层。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有高结合强度、耐腐蚀及阻氚渗透的氧化铝陶瓷涂层复合U形管路。

为解决上述技术问题，本发明的热核聚变实验堆用防氚渗透无缝U形管路的制备方法包括以下步骤：

(a)对覆层为铝的双金属复合管进行化学铣切预处理，然后放入冷拔模具内，在管坯头部施加轴向作用力拔长，制备成矩形截面双金属复合直管；

(b)将矩形截面芯棒及矩形截面柔性心轴放入矩形截面双金属复合直管内，使矩形截面芯棒与矩形截面双金属复合直管内层保持0.1倍壁厚的间隙，实施绕弯成形，制备出矩形截面的U形管路；

(c)将氯丁橡胶涂敷于U形管路的端部界面处，晾干后将U形管路放入40g/L-200g/L浓度的氢氧化钠溶液内，对氢氧化钠溶液进行均匀加热。通过控制氢氧化钠溶液温度来控制化铣速度，并在加热过程中快速搅拌氢氧化钠溶液，化铣到所需厚度，取出，剥除氯丁橡胶；