一種含內(nèi)嵌流道的聚變堆包層耐熱部件制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聚變堆包層制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含內(nèi)嵌流道的聚變堆包層耐熱部件制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聚變堆包層需要承受堆芯14MeV高能中子輻照，高能量密度熱流(>lMW/m2)的沖擊等惡劣環(huán)境。低活化馬氏體鋼(Reduced Activaiton Martensitic/Ferritic steel)具有抗高能中子輻照、低活化、高溫性能良好等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是未來(lái)第一座聚變堆的首選結(jié)構(gòu)材料。包層第一壁等耐熱部件內(nèi)部具有大量的冷卻劑流道，一方面冷卻劑可以將聚變產(chǎn)生的核熱帶出包層以實(shí)現(xiàn)能量利用，一方面冷卻劑可以實(shí)現(xiàn)包層第一壁的冷卻，避免包層部件超過(guò)其服役溫度上限造成安全事故。
[0003]根據(jù)專利ZL200810021143.5和ZL201110250135.4，以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)可知，目前包層第一壁的制備方案主要是無(wú)縫管和板件的熱等靜壓擴(kuò)散連接(Hot IsostaticPressing-Diffus1n Bonding)方式。包層第一壁HIP-DB的制備方案所涉及的工序多而復(fù)雜，對(duì)焊接前材料的表面狀態(tài)，清潔度，以及真空封裝要求非常高。而且，HIP-DB方案需要將帶焊接部件整體加熱到1100°C左右保溫2?4小時(shí)，這對(duì)于材料的微觀組織造成了非常大的影響，其原奧氏體晶粒尺寸由HIP-DB之前的10微米以下增加到幾百微米，而且碳化物出現(xiàn)顯著粗化。這可能對(duì)部件的高溫長(zhǎng)時(shí)服役性能造成不利影響。另外，受到熱等靜壓擴(kuò)散焊接設(shè)備尺寸的限制，全世界可開(kāi)展全尺寸包層第一壁制備的廠家都非常少。因而，需要發(fā)展一種可操作性好，對(duì)材料微觀組織影響小的包層第一壁制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種含內(nèi)嵌流道的聚變堆包層耐熱部件制備方法，并可將這種方法應(yīng)用于聚變堆包層第一壁的制備。本發(fā)明通過(guò)爆炸焊接的方式，實(shí)現(xiàn)包層部件內(nèi)嵌流道的成型以及納米氧化物增強(qiáng)的低活化馬氏體鋼的復(fù)合連接。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用銑槽的板件和外側(cè)蓋板的連接實(shí)現(xiàn)流道的成型，并通過(guò)內(nèi)部填充防止流道在爆炸沖擊波的作用下變形。同時(shí)通過(guò)在炸藥層和納米氧化物增強(qiáng)的低活化馬氏體鋼之間鋪設(shè)緩沖層以提高納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼連接的成功率。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種含內(nèi)嵌流道的聚變堆包層耐熱部件制備方法，該方法步驟如下:
[0006]首先，加工低活化馬氏體鋼制備銑槽底板和蓋板，并在底板槽內(nèi)加入填充物；
[0007]其次，在蓋板上方復(fù)合一層納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼；
[0008]再次，炸藥置于納米氧化物增強(qiáng)馬氏體鋼上方，并在炸藥與納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼之間設(shè)置緩沖層；
[0009]最后，通過(guò)雷管從一端引爆炸藥，依次順序爆炸，并在爆炸焊接后去除填充物。
[0010]其中，銑槽流道內(nèi)部填充一層低熔點(diǎn)金屬和一層碳鋼板，且填充物整體厚度高于銑槽深度0?5 %。
[0011]其中，蓋板外側(cè)爆炸復(fù)合一層2?6mm的納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼，以提高包層耐熱部件的服役溫度。
[0012]其中，在炸藥層與氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼之間設(shè)置緩沖層，緩沖層為2?4層毛氈，毛氈層之間通過(guò)動(dòng)物油脂進(jìn)行粘合。
[0013]其中，通過(guò)爆炸方式可在較低溫度下一次性實(shí)現(xiàn)銑槽底板、蓋板及納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼之間的多層焊接，保證材料微觀組織的穩(wěn)定性，并有效地降低成本和提高部件制備效率。
[0014]本發(fā)明的原理在于:
[0015]爆炸焊接工序少而簡(jiǎn)單，不受部件尺寸的限制，可以實(shí)現(xiàn)大面積的多層板件連接，而且爆炸焊接屬于冷壓焊，對(duì)于材料的微觀組織幾乎沒(méi)有影響，可以保證結(jié)構(gòu)材料的服役性能。因此，爆炸焊接可以作為包層第一壁等耐熱部件制備的重要候選方案。
[0016]包層部件的內(nèi)嵌流道可以通過(guò)銑槽底板和蓋板的爆炸焊接成型，為了防止流道在爆炸沖擊波的作用下變形，通過(guò)填充物對(duì)蓋板進(jìn)行支撐。填充物采用密實(shí)的低熔點(diǎn)金屬，如熔點(diǎn)在200°C以下的錫、鉛的合金等。低熔點(diǎn)金屬上方加一層碳鋼板，同時(shí)填充物整體厚度略高于銑槽深度0?5%。這種設(shè)計(jì)一方面可以保證填充物在沖擊波的作用下具有一定的收縮余量對(duì)蓋板起到支撐作用，另一方面可以讓焊接成型之后的填充物便于去除，同時(shí)上置碳鋼板可以避免較軟的低熔點(diǎn)金屬流入流道間肋條與蓋板之間造成未焊合。
[0017]由于低活化馬氏體鋼的力學(xué)性能受服役溫度影響大。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)550°C時(shí)，其力學(xué)性能出現(xiàn)顯著下降。因此，RAFM鋼的服役上限溫度為550°C。根據(jù)熱力學(xué)第二定律的原理，服役溫度的提升可以顯著提高系統(tǒng)的能量利用和轉(zhuǎn)換效率，例如發(fā)電效率。通過(guò)納米氧化物增強(qiáng)可以提高低活化馬氏體鋼的高溫性能，使其服役上限溫度提高至650°C。通過(guò)在包層第一壁外側(cè)復(fù)合上一層納米氧化物增強(qiáng)的馬氏體鋼可以提高包層的服役上限溫度和冷卻劑的出口溫度，實(shí)現(xiàn)聚變堆的能量利用效率的提升。但由于納米氧化物增強(qiáng)的低活化馬氏體鋼強(qiáng)度高、塑性低，尤其沖擊性能較差。在爆炸過(guò)程中，由于沖擊波的直接作用可能導(dǎo)致板件過(guò)度變形而開(kāi)裂的問(wèn)題，需要在炸藥層和納米氧化物增強(qiáng)的低活化馬氏體鋼之間增加緩沖層，以提高焊接的可靠性和成功率。本發(fā)明采用2?4毛氈作為緩沖層，毛氈之間通過(guò)動(dòng)物油脂作為粘合劑。
[0018]本發(fā)明制備的含內(nèi)嵌流道的包層耐熱部件經(jīng)過(guò)后期熱處理，矯形和平整后通過(guò)在焊合面打孔后進(jìn)行打壓來(lái)檢測(cè)焊接效果。檢測(cè)氣體為氦氣，檢測(cè)壓力為8?lOMPa，保壓時(shí)間為0.5?2小時(shí)。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0020](1)相對(duì)于包層耐熱部件的熱等靜壓擴(kuò)散焊接制備方案，本發(fā)明采用的爆炸焊接工藝可以顯著減少包層耐熱部件的制備工序和難度，且本發(fā)明采用的方案對(duì)部件微觀組織的影響非常小。
[0021](2)通過(guò)低熔點(diǎn)金屬和碳鋼板作為填充物，可以減小流道的變形，同時(shí)避免了較軟的低熔點(diǎn)金屬流入肋條與蓋板之間導(dǎo)致未焊合。
[0022](3)通過(guò)在包層耐熱部件外側(cè)復(fù)合一層納米氧化物增強(qiáng)的低活化馬氏體鋼，提高了現(xiàn)有包層部件的上限運(yùn)行溫度。同時(shí)，在炸藥層和納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼之間增加緩沖層可以盡量避免塑性較差的氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼變形過(guò)大而產(chǎn)生裂紋等缺陷，提尚焊接的成功率。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為含內(nèi)嵌流道的包層耐熱部件的爆炸焊接方案示意圖。
[0024]圖中附圖標(biāo)記含義為:1為雷管；2為炸藥;3為緩沖層;4為納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼板;5為支撐柱;6為低活化馬氏體鋼蓋板;7為碳鋼板;8為低熔點(diǎn)金屬;9為低活化馬氏體鋼銑槽底板，10為沙地或軟土地面。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0026]如圖1所示，在平整后的沙地或軟土地面10上放置銑槽后的底板9，銑槽的橫截面與冷卻劑流道橫截面一致，然后將低熔點(diǎn)金屬層7和碳鋼板8和放置在底板銑槽內(nèi)。
[0027]低熔點(diǎn)金屬為錫合金或鉛合金，同時(shí)保證低熔點(diǎn)金屬和碳鋼填充物整體高度高于銑槽深度0?5 %。
[0028]然后將低活化馬氏體鋼蓋板6放置在低活化馬氏體鋼銑槽底板9之上。在低活化馬氏體鋼蓋板6與納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼板4之間的兩端放置支撐柱5，支撐柱高度2?5mm。納米氧化物增強(qiáng)的低活化鋼厚度為2?6mm，其與炸藥層之間鋪設(shè)2?4層毛氈組成的緩沖層3，毛氈之間采用黃油或其他動(dòng)物油脂作為粘合劑。雷管1設(shè)置在炸藥層2的一端。
[0029]點(diǎn)燃雷管1，炸藥2依次從左至右瞬間爆炸，爆炸波通過(guò)緩沖層后作用在納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼板4與流道蓋板6上，瞬時(shí)的高速碰撞與擠壓使得材料的接觸界面距離足夠小，形成金屬鍵，并在接觸界面上部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使接觸界面溫度急劇升高，當(dāng)溫度超過(guò)材料的熔點(diǎn)時(shí)接觸面上部分熔化。
[0030]爆炸完成后對(duì)部件整體加熱至流道內(nèi)錫合金或鉛合金等低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)，使其熔化流出，并取出碳鋼板，得到內(nèi)嵌流道。
[0031]該方法通過(guò)一次爆炸可同時(shí)實(shí)現(xiàn)流道銑槽基體和蓋板的焊接，以及蓋板與納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼之間的焊接，有效減少了焊接次數(shù)和熱等靜壓擴(kuò)散焊帶來(lái)的晶粒粗化，有效提高了部件的整體性能；同時(shí)，緩沖層可有效減緩爆炸沖擊對(duì)較硬的氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼的損傷，又能將爆炸產(chǎn)生的沖擊能量有效傳遞到待焊接界面。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種含內(nèi)嵌流道的聚變堆包層耐熱部件制備方法，其特征在于:該方法步驟如下: 首先，加工低活化馬氏體鋼銑槽底板和蓋板，并在底板流道槽內(nèi)加入填充物； 其次，在蓋板上方放置一層納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼； 再次，炸藥置于納米氧化物增強(qiáng)馬氏體鋼上方，并在炸藥與納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼之間設(shè)置緩沖層； 最后，通過(guò)雷管從一端引爆炸藥，依次順序爆炸，并在爆炸焊接后去除填充物。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含內(nèi)嵌流道的聚變堆包層耐熱部件制備方法，其特征在于:銑槽流道內(nèi)部填充一層低熔點(diǎn)金屬和一層碳鋼板，且填充物整體厚度高于銑槽深度0?3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含內(nèi)嵌流道的聚變堆包層耐熱部件制備方法，其特征在于:蓋板外側(cè)爆炸復(fù)合一層2?6mm的納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼，以提高包層耐熱部件的服役溫度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含內(nèi)嵌流道的聚變堆包層耐熱部件制備方法，其特征在于:在炸藥層與氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼之間設(shè)置緩沖層，緩沖層為2?4層毛氈，毛氈層之間通過(guò)動(dòng)物油脂進(jìn)行粘合。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含內(nèi)嵌流道的聚變堆包層耐熱部件制備方法，其特征在于:通過(guò)爆炸方式可在較低溫度下一次性實(shí)現(xiàn)銑槽底板、蓋板及納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼之間的多層焊接，保證材料微觀組織的穩(wěn)定性，并有效地降低成本和提高部件制備效率。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種含內(nèi)嵌流道的聚變堆包層耐熱部件制備方法，該部件的結(jié)構(gòu)材料為低活化馬氏體鋼，采用銑槽底板和蓋板爆炸焊接的方案形成內(nèi)嵌流道，通過(guò)在流道槽中填充低熔點(diǎn)金屬和碳鋼板以減少爆炸沖擊波導(dǎo)致的流道變形并保證良好的焊接效果，且便于后期在較低溫度下加熱去除。同時(shí)，在部件外側(cè)爆炸復(fù)合一層納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼以提高部件的服役上限溫度，在炸藥與納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼之間增加緩沖層，以避免板件產(chǎn)生裂紋。本方法可一次性實(shí)現(xiàn)銑槽底板、蓋板及納米氧化物增強(qiáng)低活化馬氏體鋼的結(jié)合，可有效提高大型包層耐熱部件的制備效率，并保證在部件制備過(guò)程中材料微觀組織的穩(wěn)定性。
【IPC分類】B23K20/24, B23K20/08
【公開(kāi)號(hào)】CN105478991
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511022358
【發(fā)明人】黃波, 翟玉濤, 張俊鈺, 張保仁, 劉少軍, 黃群英, 吳宜燦
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
【公開(kāi)日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2015年12月30日