[发明专利]一种超高压力钎焊连接钨-金刚石/铜-低活化钢的方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚变堆装置中偏滤器水冷钨模块的制备，特别是涉及面向等离子体材料钨与热沉材料和低活化钢之间焊接的方法。具体采用了金刚石/铜复合材料作为钨与低活化钢之间的中间层和热沉材料，应用超高压力通电的方法进行焊接。

背景技术

在托卡马克装置运行时，氘与氚聚变反应产生14.1MeV的高能中子，会对面向等离子材料表面进行强烈的物理和化学的冲刷，特别是偏滤器部件在平稳运行状态下需承受10-20 MW/m²热通量。这种高能中子辐照和高热负荷的环境要求采用耐高温、低活性的材料应用于偏滤器，钨与核聚变中等离子体具有良好的兼容性，并且腐蚀率低，被认为是一种理想的面向等离子体候选材料。低活化钢是作为聚变堆的结构材料。在水冷聚变堆装置中CuCrZr被作为热沉材料。Cu的热膨胀系数约是W的3.5倍；低活化钢的热膨胀系数约是W的2.4倍；金刚石/铜复合材料的热膨胀系数接近W。

因W和低活化钢的性质相差很大，将二者直接结合时往往由于二者的热膨胀系数失配，在制备和服役过程中二者界面会产生很大的热应力，进而导致裂纹的产生以及材料的失效。因此涉及到钨及其合金与低活化钢连接的问题。金刚石/铜复合材料与钨或低活化钢直接焊接强度较低，加入CuCrZr或者无氧铜（OFC）箔片可提高其焊接强度，因此涉及到用钨-CuCrZr或者无氧铜（OFC）箔片-金刚石/铜复合材料-CuCrZr或者无氧铜（OFC）箔片-低活化钢的焊接成水冷钨模块问题。

发明内容

传统的钎焊连接方法所需工艺要求温度高，时间长，而且由于在聚变堆装置中使用，中间钎料的选择也有一定的局限性。为了克服这一缺点，本发明提供了一种简单高效新的钨/低活化钢的焊接方法。

本发明所采用的技术方案是：

1、首先，根据计算配出金刚石体积比为40-60%的金刚石/铜复合材料，采用V形混料机和研钵中酒精湿混的方法使金刚石/铜原料混合均匀。

2、将钨叠片、CuCrZr或者无氧铜（OFC）箔片和低活化钢块经砂纸打磨、超声波清洗后晾干。

3、将2中所述材料与金刚石/铜原料一起按图4所示装配于相应尺寸的石墨模具中，并且在装配过程中，在低活化钢块外包覆一层与模具相配合的0.3-0.5mm的铜皮，如图1所示。其中，金刚石/铜复合材料层厚度为1-3mm。金刚石/铜与钨，及金刚石/铜与低活化钢块之间分别加上一层0.3mm厚的CuCrZr或者无氧铜（OFC）箔片。加入的CuCrZr或无氧铜箔片目的有两个：一是利用铜箔的塑性缓和直接连接导致的较大应力，二是为了避免金刚石/铜复合材料中的金刚石在压制过程中接触损伤W护甲而降低连接强度。

4.将装配好的石墨模具再装入保温在100℃钢杯、镁杯、石墨纸和叶腊石包套中，放入六面顶压机内进行超高压力通电焊接。超高压力通电连接的工艺为：电流为1200A，通电加热时间为6-8分钟；压力为两次阶梯状升压，范围为50~70MPa，时间为8~12.5min。压力为两次阶梯状升压，范围为50~70MPa，时间为8~12min。从工艺配合角度可理解为：压力起始增加到一定值后，配合温度对其进行一段时间的保温保压，通电结束后二次升压开始，升至一个更高值后保压一段时间然后卸压。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、使用了金刚石/铜复合材料作为中间层。它的热膨胀系数介于钨和低活化钢之间，并且更接近钨，这有效地减小了钨和低活化钢之间的热应力；此外，它具有较高的热导率，可以确保沉积在W上的高热流能够尽快地传导到冷却水管。

2、W护甲采用四块或更多的叠片结构。W叠片越多，叠片中的应力越小；叠片避免了在使用过程中单一整块W可能造成的裂纹快速扩展现象，裂纹传播过程中会在叠片结构间隙偏折受阻。

3、金刚石/铜与钨，及金刚石/铜与低活化钢之间分别加上一层0.3mm厚的CuCrZr或者无氧铜（OFC）箔片，可以有效地避免在超高压力通电过程中金刚石与钨或低活化钢表面的直接接触，既可以增加界面的结合强度，也可以避免加压时金刚石颗粒造成钨和低活化钢表面的损伤。