CN102294577B - 一种中子辐照下内含非直线型轴线流道的部件制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种中子辐照下内含非直线型轴线流道的部件制备方法，首先需对内部含非直线型轴线冷却流道部件的内外壁板进行弯曲，并对流道原型圆管进行预弯曲，然后通过液压胀型预弯曲的圆管来制备非直线型轴线的异型管。然后在弯曲后内外壁板的表面车铣流道槽，并将异型管放置于流道槽中。最后通过热等静压焊接将弯曲的内外壁板和异型管连接为整体部件。本发明保证了整体部件的组织均匀性，同时克服了先焊接后弯曲可能导致的尺寸精度控制难度大，以及整体部件弯曲过程中部分部件的失效将导致聚变堆包层第一壁整体失效等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高通量中子辐照条件下内部含非直线型轴线冷却流道的部件制备方法。
背景技术
反应堆内部中子辐照一般伴随着高的热能载荷，为了保证面向中子辐照部件的机械性能，需要对部件进行强制冷却。其中最有效的方案就是在部件面向热流载荷的壁板内部加工出冷却流道，进行内部冷却。
在各种次临界堆、以及聚变堆等高通量强中子辐照环境下，实现粒子能量转化为冷却剂热能，以及核燃料增殖是堆技术的关键问题。该功能部件在堆中的地位决定了其所处的环境十分恶劣：高温，高通量的强中子辐照以及复杂的电磁环境和热机械载荷等。这对结构材料以及相关的制造技术提出了巨大挑战。同时，在高通量强中子辐照条件下服役部件的组装采用热等静压焊接技术，可以避免因熔焊导致的组织不均，引起辐照缺陷的聚集。但热等静压焊接对部件的加工精度以及组装精度提出了较高的要求。
以聚变堆为例，其能量转以及燃料增值部件称为包层。其第一壁结构中含有多组的矩形冷却流道，结构复杂。在聚变环境高温度梯度，高热机械载荷，以及高压工作气体等环境特点下，包层第一壁的制造为了避免缩孔，疏松，偏析等缺陷而不采用普通的铸造方式，同时高通量强中子也要求第一壁的连接也避免使用普通的熔焊方式。目前，第一壁的设计要求采用压力成型的流道管件和弯板部件，最终通过无焊接熔区和焊缝组织的热等静压焊接技术将板和管连接为整体。
目前对于内部含有异型冷却流道部件的制备工艺一般直接采用拼焊的方式来制备。虽然该种方案制备的冷却流道具有较高的尺寸精度，但该方案使用熔化焊接，导致了焊接部位与基体的组织不均匀，并有可能引入焊接缺陷。如缩孔，热应力微裂纹等。另外，日本原子能机构JAEA采用冷拔方式制备直线型无缝异型管，并通过热等静压将直线型异型管和内外壁平板焊接为整体，最后采取整体弯曲的方式来制备内部含非直线型轴线冷却流道的部件。该种方案没有使用熔焊，但厚板的绕弯会导致已焊接的冷却流道畸变较严重，部件尺寸精度下降；同时该方案将直线型的异型管和内外壁平板组装在一起时通过氩弧焊实现内外壁平板和异型管的连接缝进行焊接。由于氩弧焊在大气中进行，焊接高温会造成异型管和内外壁板待焊接面的剧烈氧化，从而在热等静压焊接时在连接界面引入大量氧化物夹杂。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种中子辐照下内含非直线型轴线流道的部件制备方法，本发明采用热等静压焊接进行部件连接，避免了拼焊带来的组织不均匀性；采用液压胀型制备异型管，内外壁板和异型管先弯曲加工后进行焊接的方案解决了机械弯曲焊接整板导致的流道畸变和尺寸精度下降的问题。
本发明的技术解决方案：一种中子辐照下内含非直线型轴线流道部件的制备方法，首先需对内外壁板材进行弯曲，同时对流道原型圆管进行预弯曲成型，然后通过液压胀型成型为异型管。然后在内外弯板的表面车铣流道槽，再将流道异型管放置于流道槽中，最后通过热等静压焊接将弯板和流道异型管连接为整体部件。
具体实现步骤如下：
(1)制备无缝圆管，然后将所述圆管通过绕弯进行预弯曲，在绕弯过程中采用活动芯棒或者在圆管中加入低熔点填充料以减小弯曲时圆管的畸变；
(2)将预弯曲后的圆管进行退火热处理，然后通过液压胀型制备为异型管，并对异型管逐根进行无损检测；所述异型管是除了圆管以外的其他截面形状管的总称；如矩形管，变径管，多边形管等。
(3)将内部含非直线型轴线的冷却流道部件的内外壁板采用模压弯曲，并在外壁板的弯曲内侧和内壁板的弯曲外侧车铣流道槽，使内外壁板的流道槽组合在一起正好与液压胀型后的异型管相配合，液压胀型异型管作为冷却剂的流道管，而板件车铣的流道槽主要是用来和异型管相连接的；对内外壁板材和异型管的接触面进行表面处理，平均粗糙度达到3.2um以上；然后进行超声波清洗和烘干；
(4)将异型管放置于内外壁板流道槽中，通过电子束焊接进行外围真空封装，得到内外壁板和异型管的真空封装件；
(5)最后将真空封装件置于高温高压惰性气体环境，在长时间的高温高压下，异型管和内外壁板界面原子相互扩散致使界面消失，最终成为整体。
所述步骤(2)中液压胀型制备异型管时，将圆管置于模具的异型腔中，在圆管表面涂上表面润滑剂，圆管管壁和模具表面涂上润滑剂减小接触面摩擦系数，以避免管件成型的开裂倾向，并获得良好的壁厚均匀性和管件尺寸精度。
所述步骤(2)中液压胀型制备异型管过程中胀型的液压为40～120MPa。一方面足够的液压可以获得较好的异型管成型效果，另一方面过高的液压会使得管件塑性变形过渡，导致过度减薄并出现严重的回弹问题。
所述步骤(2)中在液压胀型过程中，预弯曲圆管的两端通过冲头实现进给补料，防止因过度拉伸变形导致的圆管壁破裂。
所述步骤(4)中电子束焊接时，真空环境需要达到10-3Pa以上，电子束焊接的流强为40～60mA。在此流强下可以获得良好的管件和板件的真空密封效果。
所述步骤(5)中热等静压焊接时充入的惰性气体压强为80～150Mpa，热等静压温度为1050～1150℃，热等静压保温时间大于2小时。在高温高压下，通过长时间的表面原子扩散，可以将分离的表面连接在一起，获得均匀的组织结构。
所述步骤(2)退火热处理的工艺参数：真空条件下，在980℃保温半小时，以小于30℃/h的冷却速度降温至660℃以下，然后炉冷至室温。通过对管件进行退火，可以改善圆管的塑性，较大提高圆管的成型性能，并降低成型的液压。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用部件弯曲后热等静压方式，可以对每一个部件进行可靠性分析和裂纹检测，从而提高了包层第一壁部件的可靠性。
(2)本发明同时采用预弯曲和液压胀型方案，既保证了异型管的尺寸精度也保证了弯曲处内部流道的尺寸精度，因此本发明可以制备具有高尺寸精度和高可靠性的液态金属包层第一壁部件。
(3)本发明采用热等静压焊接进行部件连接，避免了拼焊带来的组织不均匀性，解决流道畸变和尺寸精度下降及部件检测难题。
附图说明
图1为本发明方法实现流程图。
具体实施方式
实施例1
以聚变堆液态包层第一壁部件的制备为例，其工艺流程如图1所示，包括以下步骤：
(1)制备低活化钢的薄壁圆管，如中国低活化马氏体钢。其外径和壁厚符合矩形管制备的要求。然后将圆管通过绕弯进行预弯曲。绕弯圆管时可以通过增加活动芯棒或者添加填充料防管壁凹陷和起皱，并对弯曲后圆管进行无损检测。
(2)将预弯曲圆管进行退火处理，退火热处理制度：真空条件下，在950℃～980℃保温30分钟，然后以大于30℃/h的冷却速度降至600℃，之后炉冷至室温。
(3)退火后的弯管置于液压胀型模具的内部矩形腔中，在圆管表面涂上表面润滑剂，使圆管与模具之间的摩擦系数降至0.15以下，矩形管液压胀型过程中的液压为60～120MPa。
(4)在预弯圆管的两端安装进给装置，在胀型过程中通过冲头进给补料，防止因过度拉伸变形导致的管壁破裂。矩形管制备后逐根进行无损检测。
(5)含内部冷却流道部件的内外壁板采用模压弯曲，并车铣流道槽。对内外壁和矩形管的接触面进行表面加工，光洁度控制在花6以上，并进行超声波清洗和烘干。
(6)将含内部冷却流道部件的内外壁板和矩形管通过电子束焊接进行真空封装，得到内外壁和矩形管的封装件。
(7)最后将与封装件进行热等静压焊接为整体。热等静压焊接充入的气体压强为80～150Mpa，热等静压温度为1050～1150℃，保温2h以上后炉冷。
通过本次试验
通过此种方案制备的聚变堆液态包层结构件的外形尺寸精度可以控制在1mm以内，垂直度误差可以控制在0.5°以内，同时流道尺寸的畸变量可控制在0.5mm左右。而且，热等静压焊接连接处的拉伸性能与基体相似，部件具有较高的尺寸精度和性能可靠性。
实施例2
以聚变堆固态包层第一壁部件的制备为例，其工艺流程与液态包层第一壁制备流程相似，包括以下步骤：
(1)制备低活化钢的薄壁圆管。其外径和壁厚符合方形管制备的要求。然后将圆管通过绕弯进行预弯曲。绕弯圆管时可以通过增加活动芯棒或者添加填充料防管壁凹陷和起皱，并对弯曲后圆管进行无损检测。
(2)将预弯曲圆管将预弯曲圆管进行退火处理，退火热处理制度：真空条件下，在950℃～980℃保温30分钟，然后以大于30℃/h的冷却速度降至600℃，之后炉冷。
(3)将退火后弯管置于液压胀型模具的内部方形腔中，在圆管表面涂上表面润滑剂，使圆管与模具之间的摩擦系数将至0.15以下，方形管液压胀型过程中的液压为40～100MPa。
(4)在预弯圆管的两端安装进给装置，在胀型过程中通过冲头进给补料，防止因过度拉伸变形导致的管壁破裂。方形管制备后逐根进行超声波无损检测。
(5)内外壁采用模压弯曲，并车铣流道槽。对内外壁和方形管的接触面进行表面加工，光洁度控制在花6以上，显露金属光泽，然后进行清洗和烘干。
(6)将内外壁和方形管通过电子束焊接进行真空封装，得到内外壁和方形管的真空封装件。
(7)最后将与封装件通过热等静压焊接为整体。热等静压焊接充入的气体压强为80～150Mpa，热等静压温度为1050～1150℃，保温2h以上后炉冷。
通过此种方案制备的聚变堆液态包层结构件的外形尺寸精度可以控制在1mm以内，垂直度误差可以控制在0.5°以内，同时流道尺寸的畸变量可控制在0.5mm左右。热等静压焊接连接处的拉伸性能与基体相似，部件具有较高的尺寸精度和性能可靠性。
Claims (4)
1.一种中子辐照下内含非直线型轴线流道的部件制备方法，其特征在于实现步骤如下：
（1）制备无缝圆管，然后将所述圆管通过绕弯进行预弯曲，在绕弯过程中采用活动芯棒或者在圆管中加入低熔点填充料以减小弯曲时圆管的畸变；
（2）将预弯曲后的圆管进行退火热处理，然后通过液压胀型制备为异型管，并对异型管逐根进行无损检测；
（3）将内部含非直线型轴线的冷却流道部件的内外壁板采用模压弯曲，并在外壁板的弯曲内侧和内壁板的弯曲外侧车铣流道槽，并使内外壁板的流道槽组合在一起正好与液压胀型后的异型管相配合；对内外壁板材和异型管的接触面进行表面处理，平均粗糙度达到3.2um以上水平；然后进行超声波清洗和烘干；
（4）将异型管放置于内外壁板流道槽中，通过电子束焊接进行外围真空封装，得到内外壁板和异型管的真空封装件；
（5）最后将真空封装件通过热等静压焊接为整体；
所述步骤（4）中电子束焊接时，真空环境需要达到10-3Pa以上，电子束焊接的流强为40~60mA；
所述步骤（5）中热等静压焊接时充入的惰性气体压强为80～150Mpa，热等静压温度为1050~1150℃，热等静压保温时间大于2小时；
所述步骤（2）退火热处理的工艺参数：真空条件下，在980℃保温半小时，以小于30℃/h的冷却速度降温至660℃以下，然后炉冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种中子辐照下内含非直线型轴线流道的部件制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中液压胀型制备异型管时，将圆管置于模具的异型腔中，在圆管表面涂上表面润滑剂，圆管管壁和模具表面涂上润滑剂减小接触面摩擦系数。
3.根据权利要求1或2所述的一种中子辐照下内含非直线型轴线流道的部件制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中液压胀型制备异型管过程中胀型的液压为40～120MPa。
4.根据权利要求1所述的一种中子辐照下内含非直线型轴线流道的部件制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中在液压胀型过程中，预弯曲圆管的两端通过冲头实现进给补料，防止因过度拉伸变形导致的圆管壁破裂。
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