[发明专利]一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚变堆包层制备的技术领域，具体涉及一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法。

背景技术

聚变堆包层需要承受堆芯14MeV高能中子辐照，高能量密度热流(>1MW/m²)的冲击等恶劣环境。低活化马氏体钢(Reduced Activaiton Martensitic/Ferritic steel)具有抗高能中子辐照、低活化、高温性能良好等优点被认为是未来第一座聚变堆的首选结构材料。包层第一壁等耐热部件内部具有大量的冷却剂流道，一方面冷却剂可以将聚变产生的核热带出包层以实现能量利用，一方面冷却剂可以实现包层第一壁的冷却，避免包层部件超过其服役温度上限造成安全事故。

根据专利ZL200810021143.5和ZL201110250135.4，以及国内外相关文献可知，目前包层第一壁的制备方案主要是无缝管和板件的热等静压扩散连接(Hot Isostatic Pressing-Diffusion Bonding)方式。包层第一壁HIP-DB的制备方案所涉及的工序多而复杂，对焊接前材料的表面状态，清洁度，以及真空封装要求非常高。而且，HIP-DB方案需要将带焊接部件整体加热到1100℃左右保温2～4小时，这对于材料的微观组织造成了非常大的影响，其原奥氏体晶粒尺寸由HIP-DB之前的10微米以下增加到几百微米，而且碳化物出现显著粗化。这可能对部件的高温长时服役性能造成不利影响。另外，受到热等静压扩散焊接设备尺寸的限制，全世界可开展全尺寸包层第一壁制备的厂家都非常少。因而，需要发展一种可操作性好，对材料微观组织影响小的包层第一壁制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法，并可将这种方法应用于聚变堆包层第一壁的制备。本发明通过爆炸焊接的方式，实现包层部件内嵌流道的成型以及纳米氧化物增强的低活化马氏体钢的复合连接。为实现上述目的，本发明采用铣槽的板件和外侧盖板的连接实现流道的成型，并通过内部填充防止流道在爆炸冲击波的作用下变形。同时通过在炸药层和纳米氧化物增强的低活化马氏体钢之间铺设缓冲层以提高纳米氧化物增强低活化马氏体钢连接的成功率。

本发明采用的技术方案为：一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法，该方法步骤如下：

首先，加工低活化马氏体钢制备铣槽底板和盖板，并在底板槽内加入填充物；

其次，在盖板上方复合一层纳米氧化物增强低活化马氏体钢；

再次，炸药置于纳米氧化物增强马氏体钢上方，并在炸药与纳米氧化物增强低活化马氏体钢之间设置缓冲层；

最后，通过雷管从一端引爆炸药，依次顺序爆炸，并在爆炸焊接后去除填充物。

其中，铣槽流道内部填充一层低熔点金属和一层碳钢板，且填充物整体厚度高于铣槽深度0～5％。

其中，盖板外侧爆炸复合一层2～6mm的纳米氧化物增强低活化马氏体钢，以提高包层耐热部件的服役温度。

其中，在炸药层与氧化物增强低活化马氏体钢之间设置缓冲层，缓冲层为2～4层毛毡，毛毡层之间通过动物油脂进行粘合。

其中，通过爆炸方式可在较低温度下一次性实现铣槽底板、盖板及纳米氧化物增强低活化马氏体钢之间的多层焊接，保证材料微观组织的稳定性，并有效地降低成本和提高部件制备效率。

本发明的原理在于：

爆炸焊接工序少而简单，不受部件尺寸的限制，可以实现大面积的多层板件连接，而且爆炸焊接属于冷压焊，对于材料的微观组织几乎没有影响，可以保证结构材料的服役性能。因此，爆炸焊接可以作为包层第一壁等耐热部件制备的重要候选方案。

包层部件的内嵌流道可以通过铣槽底板和盖板的爆炸焊接成型，为了防止流道在爆炸冲击波的作用下变形，通过填充物对盖板进行支撑。填充物采用密实的低熔点金属，如熔点在200℃以下的锡、铅的合金等。低熔点金属上方加一层碳钢板，同时填充物整体厚度略高于铣槽深度0～5％。这种设计一方面可以保证填充物在冲击波的作用下具有一定的收缩余量对盖板起到支撑作用，另一方面可以让焊接成型之后的填充物便于去除，同时上置碳钢板可以避免较软的低熔点金属流入流道间肋条与盖板之间造成未焊合。