[发明专利]掺杂钨基复合材料第一壁部件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型掺杂钨基复合材料，具体涉及一种掺杂钨基复合材料第一壁部件及其制备方法，属机械热处理加工技术领域。

背景技术

核聚变实验装置第一壁部件有面对等离子体材料(PFM)与热沉材料组成。PFM直接面对高温聚变等离子体，在等离子体与其表面相互作用过程中直接承受高热负荷、高粒子通量和中子负载的作用。为了实现长脉冲、高参数等离子体实验的要求，PFM要能够承受巨大的等离子体热负荷、可靠地排出所沉积的功率负荷，并且有效地控制进入等离子体的杂质，以实现等离子体的安全稳态运行。因此，PFM应该具有以下特点：寿命长、对等离子体污染小、与等离子体运行环境的相容性好、材料易加工和成本低等。目前，PFM材料主要有碳基低Z材料和钨基高Z材料。碳基材料熔点高、热导高、与等离子体相容性好，优良的抗热冲击性和疲劳性能，特别是高能量、强粒子流等异常事件中优点更突出。但是，在核聚变发电要求的长脉冲、高功率放电的基本要求下，必然导致越来越高的能量沉积到面对等离子体材料上，其结果是较高的碳材料溅射腐蚀产额和燃料粒子在其内部滞留，这对于等离子体的高参数、准稳态运行是极为不利的。因此，在国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)设计中，碳材料仅被用在偏滤器内外垂直靶板等离子体轰击处。钨(W)由于其熔点高、抗溅射能力强、低燃料滞留量、不与氢及其同位素反应等优点而被认为是最适合的面对等离子体材料。ITER氘氚反应运行阶段，钨将是PFM的首选材料。但是，钨材料一个缺点是韧脆转变温度(DBTT)较高(100-400℃)，经历重结晶和中子辐射后，韧脆转变温度会继续提高，而且W等ⅥA族元素的晶界结合力非常小，在重结晶温度时晶界首先产生裂纹，进而可能出现裂纹的扩展、面对等离子体材料的失效。因此，如何提高钨材料的热力学性能和承受等离子体轰击的服役性能是钨PFM研究的重要课题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足之处，提供一种掺杂钨基复合材料第一壁部件及其制备方法，第一壁部件由面对等离子体材料和热沉材料组成，所述的面对等离子体材料为碳化钛(TiC)、铼(Re)掺杂钨基复合材料，所述的热沉材料为铜合金或低活化不锈钢。将面对等离子体材料碳化钛、铼和钨粉混合球磨后，经冷压成块，真空热压烧结成型，再焊按到热沉材料铜合金或不锈钢上。该第一壁部件有较好的热力学性能，能够承受大热流、高能量粒子冲击，可以应用到长脉冲、大功率的聚变实验装置及未来聚变商用堆上。

本发明是以如下技术方案实现的：一种掺杂钨基复合材料第一壁部件，其特征是：第一壁部件由面对等离子体材料和热沉材料组成，所述的面对等离子体材料为碳化钛、铼掺杂钨基复合材料，所述的热沉材料为铜合金或低活化不锈钢。

所述的面对等离子材料各组份质量份为：碳化钛0.5-5％，铼质3-10％，钨质85％-96.5％；优选的质量份为：碳化钛1％，铼5％，钨94％。

一种制备掺杂钨基复合材料第一壁部件的方法，其特征是：将面对等离子体材料碳化钛、铼和钨粉混合球磨后，经冷压成块，真空热压烧结成型，再焊接到热沉材料铜合金或不锈钢上。

所述的球磨过程中使用的球墨罐材质为硬质合金，磨球材质为钨，氮气为球磨保护气体，球磨时间20-50小时，球磨转速200-500转/分钟，球料比10∶1-15∶1；所述的冷压压力为100-200Mpa，持续时间5-10分钟；热压压力20-40Mpa，烧结温度1800-2000摄氏度，烧结时间1-2小时；掺杂钨基面对等离子体复合材料厚度5-10mm；所述的碳化钛、铼掺杂钨基面对等离子体材料烧结成型后焊接到铜合金或不锈钢热沉材料上，焊接温度900-1000摄氏度，压力10Mpa，持续时间15-30分钟。