[发明专利]一种采用置氢金属扩散连接聚变堆材料钨和钢的工艺

说明书

本发明公开了一种采用置氢金属扩散连接聚变堆材料钨和钢的工艺，采用预先置氢的纯钛（钒）及其合金作为过渡层材料，既可以降低焊接温度，减少过渡层与钢之间产生的反应产物；降低过渡层屈服强度，有利于缓释应力；又满足聚变堆对材料的低活化要求，减少中间层材料与钢生成脆性反应产物弱化连接质量；又能改善中间层材料高温缓释残余应力能力的钨/钢连接工艺方法。

技术领域

本发明是一种采用置氢金属扩散连接聚变堆材料钨和钢的工艺，属金属扩散焊接领域。

背景技术

中国聚变工程试验堆（CFETR）及国外各种演示堆（DEMO）的第一壁部件均处于氢同位素环境中，并将承受氘（D）+氚（T）反应生成的14MeV中子及其他高能粒子辐照，因此第一壁部件大多被设计为面向等离子体材料（例如钨）和结构材料（例如低活化铁素体/马氏体钢）连接而成。但是钨和钢是两种热物理属性差异较大的异种金属材料，二者不仅线膨胀系数差异较大，会产生较大热应力，同时也会生成脆性反应产物弱化接头焊接性能。

在目前国内外研究现状中，采用添加中间过渡层的固相扩散焊接工艺是一种比较有潜力的钨/钢连接技术。然而，中间层材料的选择是一个很大的难题，因为中间层不仅要能改善钨/钢的焊接性能，例如连接强度，界面反应产物，热应力缓释效果等，还需要能适应苛刻的未来聚变堆第一壁材料服役环境：（1）D+T 反应产生14MeV中子，要求材料元素低活化以满足低排放核废料的标准；（2）聚变堆内部氢同位素环境，要求材料在氢同位素氛围中不发生脆性断裂；（3） D,T杂质粒子流要求材料在等离子体辐照条件下具有很好的抗热冲击性能。

然而，目前钨/钢连接所采用的中间层材料均不能满足以上要求：

（1）利用Ni，Cu等金属可以实现钨/钢的有效连接。Ni和Cu的热导率较高，利用Ni，Cu甚至可以获得界面残余应力较小且无反应产物的优质钨/钢接头，但二者都是高活化元素，不适合未来聚变堆对低活化材料的需求。

（2）Ti，V等低活化金属也可以实现钨/钢的连接，但是与Ni，Cu相比，纯金属Ti, V与钢在较高温度（≥900℃）焊接时易形成FeTi₂,V₂C等脆性反应产物，弱化接头性能。

以纯钛为例，室温下的纯钛组织为α-Ti结构，而钢中的主要元素Fe, Cr等与高温相β-Ti元素晶体结构相同，因此Fe，Cr在β-Ti中的溶解度较高，而在α-Ti中的溶解度较低。α-Ti向β-Ti转变温度约880℃左右，如果采用较高温度焊接，Ti和钢易形成脆性反应产物，若采用较低温度焊接，则Ti与钢之间的扩散会被减弱。

同时过渡层的屈服强度会对缓释钨和钢之间的残余应力产生影响，相比于Cu和Ni金属， Ti的屈服强度相对较高，不利于残余应力的缓释。

但是Ti，V元素满足聚变堆低活化材料的要求，因此研究改善Ti或V金属的性能并使其满足钨和钢焊接要求，对于聚变堆的持续运行具有十分重要的意义。

长久以来，人们认为氢元素会导致Ti金属脆化，但是近年来的研究显示：

（1）从Ti-H相图中可以看出，H是一种强β-Ti稳定元素，它可以明显降低α-β Ti的相转变温度（从~880℃-~330℃），这有利于降低钨/钛/钢连接温度，减少Ti与钢之间的脆性反应产物的出现。β-Ti的形成可以促进Ti与钢之间的扩散，提高连接强度，一定程度上弥补了降低焊接温度对扩散的影响。

（2）在钛及其合金中加入少量的氢元素可以改善Ti的加工性能和流变应力，使得屈服强度降低，这有利于缓释残余应力。

（3）作为一种临时合金化元素，氢在钛中的存在状态是可逆的，通过退火可以除去Ti中溶解的氢同位素。