CN102574238B - 通过热等静压制造具有中空区域的模件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过热等静压制造具有中空区域(2)的模件的方法，包括：制成组件的步骤，所述组件包括限定中空区域的叠置元件，所述组件被制成为形成包含所述中空区域的密封外壳，所述密封外壳包括将中空区域与组件的外部分隔开的至少一个可熔封闭构件(12)；接着为热等静压所述组件的步骤，执行该步骤以实现所述组件的元件的扩散焊接，所述步骤通过改变温度和压力条件以使得所述温度和压力条件在该步骤期间导致可熔封闭构件(12)破坏来实现，可熔封闭构件的破坏能使加压气体进入中空区域(2)中。

Description

通过热等静压制造具有中空区域的模件的方法

技术领域

本发明总体上涉及通过使用热等静压缩(hot isostatic compression，热等静压)实施的扩散焊接来制造具有中空区域的模件(module)的领域。

特别地，本发明涉及这样的模件的制造，用于该模件的中空区域采用一个或多个通道的形状，优选地旨在用于流体的循环。

许多应用可以考虑这种模件，像热交换器，并且优选地为所谓的紧凑型板交换器，对于所述紧凑型板交换器，由于交换表面面积与交换器的体积的比率大，因此获得的热交换是非常令人满意的。例如，这可以是这样一种热交换器系统，该热交换器系统包括一模件或者沿堆叠板的方向交替地形成的模件的堆叠、第一流体循环区域和第二流体循环区域，并且该热交换器系统被设计成使得在这些流体循环区域中的至少一个内发生化学的、可能地催化的反应。因此，由于在这些区域中的至少一个内发生化学反应，这种交换器也被称为反应器。更一般地，这种热交换器被称为交换器/反应器。

应注意到，对于这种类型的交换器系统可以考虑若干种应用，例如，生产化学或者医药产品。

对于中空的模件也可以考虑其他应用，应用在冷却压力装置、热吸收器、热回收器、以及更一般地应用在包括用于流体循环的内部通道的所有装置中。

背景技术

从现有技术中，已知的是由两个带槽板制造中空模件，这两个带槽板相互抵靠以共同地限定空腔，在所述空腔中被插入几何形状与期望的循环通道的几何形状对应的导管。在这种情况下，将要通过扩散组装的表面首先要被清洁，部件被堆叠然后两块板的周边通过焊接或者通过将这些板插入也通过焊接制成的防漏外壳中而制成为防漏的。此外，导管的端部的周边通过与这两个相同的板或者与外壳(也被称为容器)焊接而制成为防漏的。

在对由此形成的组件的常规脱气处理之后，所述组件经受热等静压缩周期，在所述热等静压缩周期期间，加压气体不能透入组件的元件之间的界面中，所述组件的元件然后可以通过扩散来适当地焊接至彼此。另一方面，加压气体透入导管的内部以使得所述导管承受与组件的外部表面的压力相同的压力。因此，没有导管压碎的情况发生，这保持了导管的原始几何形状。

然而，在一些实施方式中，通道的形状使得无法从导管到达所述通道，特别是当所述形状包括太显著以至于不能通过弯曲直的导管来获得的弯曲部时。

在这方面，应注意到，通过利用热等静压缩的扩散焊接来组装带槽板(所述带槽板之间没有插入任何导管)只有在付出显著的结构恶化的代价下才是可能的。实际上，如果通道的入口和出口没有被可密封地封闭，加压气体在带槽板之间透入并且妨碍所述带槽板的焊接。相反地，如果通道的入口和出口被可密封地封闭，则所述通道被压力压碎，这导致通道的尺寸精度中的不可接受的损失，或者甚至导致所述通道消失。在这种情况下，压力的降低将当然使得对通道的挤压变弱，但是也将伴随着焊接接头的抵抗性的降低。

避免通道压碎的另一种技术方案包括用芯部填充槽，所述芯部由在组装后可以通过化学溶解或者通过其他方式被移除的材料制成，比如，这在文献JP-A-2006 263746中进行了描述。但是，实际上，填充材料的确定及其移除被证明都是非常困难的。

此外，另一种制造方法从文献FR-A-2 879 489中已知。它包括：在板内机械加工预先考虑了通道的槽，通过用焊接将薄带附加至这些槽来密封这些槽的顶部，然后在带槽板上通过利用热等静压缩的扩散焊接来组装具有覆盖所述薄带的盖子的形状的第二元件。这种解决方案具有多个缺点，其中有：高成本、当通道不直时薄带的焊接困难、对于包括多个通道或者长度很长的通道的结构而言控制和保证所述带的所有焊缝的密封很困难、或者进一步地，考虑到形成所谓的《三维(3D)》通道，不可能在通道的高度上构造具有不规则的通道宽度的通道。

最后，从核材料期刊(Journal of Nuclear Materials)307-311(2002)中的、P.Norajitra等的名称为《HIP experiments on the first wall and coolingplate specimens for the EUHCPB blanket》的文献中已知另一种制造方法。在该文献中描述了一种原理，包括在两个步骤中通过利用热等静压缩的扩散焊接来组装基本部件。通过并置所述基本部件中所有或者部分，提供了重构期望的通道的可能性。这些基本部件被插入密封的容器中以形成随后被脱气并且然后被封闭的组件。替换地，基本部件的周边被可密封地焊接，并且通道被封闭，以便始终形成包含中空区域的防漏外壳。

在用于扩散焊接的第一步骤期间，热等静压缩的温度和压力条件以及该步骤的持续时间被保持，一方面以获得所述部件的焊接从而实现所述部件的界面防漏，并且另一方面使得通道的可能变形保持为可忽略。

在这个第一步骤之后，所述组件面向所述通道被刺穿，以允许空气透入所述组件内。于是中空区域的密封被打破，接着通过扩散进行第二焊接步骤，所述第二焊接步骤在更高的压力下实现以保证在基本部件之间获得高质量的扩散焊接。在这个第二步骤期间，与在第一焊接步骤中不同，加压气体透入通道中，以使得可以避免通道压碎并且可以保持可接受的几何形状。

这个解决方案有许多缺点，其中有：要求使组件两次进入热等静压缩壳中、在两个步骤之间进行通风以便与通道成直角地刺穿所述组件。这导致了长的制造时间和高的制造成本。此外，由于问题是要准确地刺穿可能是大尺寸的并且可能在第一步骤中遭受了变形从而使所述通道的定位要很精细的部件，因此在刺穿操作期间出错的风险是现实的。

发明内容

因此本发明的目的是至少部分地找到对前面提到的与现有技术的实施方式相关的缺点的补救方案。

为此，本发明的目的是通过热等静压缩来制造具有中空区域的模件的方法，包括：

-制成包括限定出中空区域的叠置元件的组件的步骤，所述组件被制造成形成包含所述中空区域的防漏外壳，所述防漏外壳包括将所述中空区域与所述组件的外部分隔开的至少一个可熔封闭构件；接着

-热等静压缩所述组件的步骤，实现该步骤以通过所述组件的元件的扩散来获得焊接，这个步骤通过让温度和压力条件改变以使得所述温度和压力条件在这个步骤期间导致所述可熔封闭构件失效来实现，所述可溶封闭构件的失效允许加压气体透入所述中空区域中。

因此，热等静压缩步骤包括在封闭构件失效之前的第一阶段，所述第一阶段为这样一个阶段，在这个阶段期间所述组件的元件开始通过扩散焊接至界面，而加压气体不能透入中空区域中并且不能干扰在所述界面处的此焊接。在这个第一阶段期间观察到的焊接对于在所述界面处获得密封是足够的，但是具有低的机械强度，该低的机械强度预备好通过应用随后的第二压缩阶段(compression stage，加压阶段)来加强。在这个第二压缩阶段开始之前，所应用的温度和压力条件导致封闭构件的失效，与第一阶段不同，这种失效通过加压气体的透入中空区域中而表现出。这允许应用比第一阶段期间大得多的压力，有利于在扩散焊接界面处获得强的机械强度，而不会导致中空区域的压碎，所述中空区域因此可以保持期望的几何形状。这可以通过这样的事实来解释：中空区域的内部承受的压力与施加在正经受压缩的组件的外部表面上的压力相同。

本发明特有的这个原理的优点在于它提供了制造的简单性，这通过在制造时间和成本方面的获益来表现。这个获益特别地由在同一热等静压缩步骤期间封闭构件的自动失效而导致，而不要求从加压壳中取出所述组件以便刺穿所述组件并且然后把所述组件重新放进所述加压壳中，与在名称为《HIP experiments on the first wall and cooling plate specimens for the EUHCPB blanket)》的现有技术中的情况一样。

此外，该方法的可靠性是令人满意的，因为封闭构件的破裂保证所述组件的外部与中空区域之间的连通，与在刚刚提到的现有技术中描述的刺穿操作不同。

根据面对的需要，所述组件可以包括一个或者多个可熔封闭构件。在这方面，应注意多个构件可以叠置，以便在所述多个构件破裂后在所述组件的外部与中空区域之间形成相同的连通路径。

此外，在选择中空区域的形状方面本发明提供很大的自由度，所述中空区域优选地采用通道的形状，特别是如果所述通道在金属板中通过激光切割制成的话。有利地，在获得的通道的复杂形状(例如，《三维》通道)用在交换器内时，所述复杂形状导致获得紧凑的且高热性能(thermallyhighly performing)的模件，以及在所述复杂形状用在交换器/反应器内时，所述复杂形状导致获得混合化学试剂的高性能。

最后，本发明不要求任何钎焊来组装元件，因此在使用腐蚀性流体的情况下没有任何问题。

优选地，所述温度和压力条件被保持，以便在温度T1、压力P1下实现持续时间D1的第一压缩阶段，然后在温度T2、比压力P1大的压力P2下实现持续时间D2的第二压缩阶段，在第一与第二压缩阶段之间引起所述可熔封闭构件的破裂。对于压力P1和P2，意思是在持续时间D1和D2内基本上不变的压力。

因此，第一压缩阶段在较低的压力下实现，然而允许在所述组件的元件的界面处获得密封，而不会导致中空区域的压碎。在第二阶段期间施加最高压力，对于所述最高压力，它提供了在所述界面处获得加固的机械接头的可能。因此，在压力上升期间实现了封闭构件的破裂。根据这个封闭构件的性质，这个破裂或者在压力的作用下通过爆裂实现，或者在温度的作用下当达到熔化温度时通过液化或者爆裂而实现。在这方面，注意到所述构件的温度还对其通过压力而爆裂的时刻有影响，并且所述压力对正在液化的构件将破坏的时刻有影响。

无论什么情况下，当所述构件被设计以在温度的作用下通过液化而破坏时，温度T2被设定为在温度T1以上的值，并且所述封闭构件的熔点包括在T1与T2之间。此外，甚至当所述封闭构件被设置为在压力的作用下通过爆裂而破坏时，温度T2也可以被设定为在温度T1以上的值，并且这目的在于促进通过扩散的焊接。然而，T1和T2可以是相等的或者相近的，这不偏离本发明的范围。

优选地，并且特别是在当使用的合金是铁基、镍基或铜基、或者基于不锈钢、或者进一步地为钛基合金时，这个压力P1包含在50与200巴之间，例如接近150巴，并且压力P2包含在1,000与2,000巴之间，例如接近1500巴。显然地，在D1和D2期间压力温度P1和P2可以在前面提到的限度内变化，但是优选地是基本上不变的。

优选地，所述温度T1和T2各自被包含在900与1,200℃之间。

优选地，如前文所提到的，所述封闭构件形成热保险器(thermal fuse)或者机械保险器(mechanical fuse)。在第一种情况下，当所述保险器在热的作用下变成流体时，实现所述保险器的破裂，而在第二种情况下，通过在压力作用下的破坏而实现所述保险器的破裂。在每种情况下，破坏的保险器不再实现它的封闭功能并且因此允许在所述中空区域与所述组件的外部之间的流体连通。

例如，所述封闭构件采用平均厚度包括在0.3与0.5毫米之间的隔膜的形状。

优选地，所述封闭构件是组件的所述元件中的一个的整体部分，否则是被附加在这些元件中的一个上，例如通过焊接。

优选地，所述中空区域采用一个或多个流体循环通道的形式。

优选地，即使所有前面提到的应用都可以考虑，所述模件也可被设置为装备热交换器系统，这不偏离本发明的范围，。

优选地，所述模件采用板的形式，以及所述组件的所述构成元件中的每一个的形式。

本发明的其他优点和特征在下文的非限制性的详细描述中将变得显而易见。

附图说明

这个描述将参考附图进行，附图中：

-图1示出了随着应用根据本发明的一个优选实施方式的方法之后而获得的流体循环模件的示意性立体图；

-图2示出了旨在在处理图1的所述模件之前形成所述模件的组件的分解立体图；

-图3示出了图2中所示的组件的非分解立体图；

-图4示出了图2和图3中所示的组件的一部分；

-图5是沿图4的线V-V的剖视图；

-图6是显示在组件的热等静压缩步骤期间所施加的温度和压力条件随时间变化的图；

-图7示出了与图5类似的在可熔封闭构件破裂之后的视图；以及

-图8和图9显示了可熔封闭构件的替换实施方式。

具体实施方式

参见图1，可以看见用于热交换器系统(优选地为交换器/反应器类型)的模件1，例如，所述模件被设置用于生产化学或者医药产品。例如，这个模件具有30厘米量级的长度，10至15厘米量级的宽度和1至2厘米量级的厚度。但是，可以考虑任何类型的比例，并且这取决于系统的应用。

模件1(专门针对本发明的制造方法将在下文中针对所述模件进行描述)具有基本上平行六面体的形状或者板的形状，被用于流体循环的一个或者多个通道2穿过。在图示的实例中，设置了具有入口2a和出口2b的单个通道2，所述入口与所述出口之间设有优选地相互平行的多个通道段2’。通道段2’在它们的相面对的端部成对相连。通道段2’可以是基本上直线型的，或者可以甚至采用任何众所周知的其他适合的形状，比如所谓的弯曲或者Z字形形状，如在图1中通过虚线示意性地示出的那样。此外，这些通道2的截面也可以依据所面对的需要来适配。作为指示性的实例，所述通道的截面可以是正方形、长方形，或者进一步具有可以随时间变化以产生《三维》通道的形状。

为了继续进行这个模件1的制造，首先制成堆叠元件的组件，这个组件总体上用图2中的参考标号4表示。

堆叠可以在常规的、优选地水平的支撑物上进行，首先将合金的金属板6放置在所述支撑物上，所述合金例如具有高导热性，比如富含铜的合金，例如氯化亚铜(CuCl)合金。

在这块板6的表面上，设置另一块板10，所述板被机加工贯穿以显露出通道2。这个机加工优选地通过激光切割贯穿金属板10而进行，所述金属板优选地由不锈钢制成，例如不锈钢316L。

在显示的实例中，每个通道段2’的截面均是正方形，边长大约3毫米。

下一步，基本上与第一块板相同的具有3毫米量级的厚度的另一块板6覆盖带槽板10。因此，通道段2’在下面被下部板6封闭并且在上面被上部板6封闭。

本发明的其中一个特性在于，带槽板10设有一个或者多个可熔封闭构件，所述封闭构件将形成中空区域的通道2与图3中所示的在堆叠状态下的组件4的外部分隔开。更具体地，两个封闭构件被分别设置在带槽板10的两个突出部14处，面向流体循环通道2的入口和出口布置。

可熔封闭构件12中的一个在图4和图5中详细示出，可以理解另一个可溶封闭构件在功能和结构这两者上是相同或者类似的。在这些图中，实际上能够看见突出部14与通道2的入口2a成直角设置。穿孔16从板10的外部穿过突出部14且朝向通道2而形成。然而，这个穿孔16并不接通通道，因为材料结带(material ligament)作为隔膜被保留在所述通道之间，以形成可熔封闭构件12。穿孔16的直径是2毫米量级。保留的材料结带具有平均厚度E，所述平均厚度优选地通过使用材料的热机械性能定律以及在压缩期间应用的温度和压力条件利用有限元计算法来确定，优选地所述平均厚度包括在0.3与0.5毫米之间，以及甚至更优选地是0.4毫米的量级。如将在下文被详细描述的一样，所述材料结带的厚度被设定使得它可以履行它的功能，所述功能包括保证通道2在第一热等静压缩阶段封闭，然后自动地屈服(yield)以便随后允许在第二热等静压缩阶段期间将加压气体引入通道中。

一旦板6、10被堆叠，所述板在其周边处优选地通过惰性气体钨极保护电弧焊(TIG welding)焊接到一起，以便形成包含形成中空区域的通道的防漏外壳。在这个特定的情况下，所述防漏外壳因此由两块板6、包括两个可熔封闭构件12的带槽板10的周边、以及在图3中以参考标号18表示的周边井(peripheral well)形成。

虽然这没有被图示出，应注意到，存在单个可熔构件可以是足够的。图3中所示的优选实施方式包括设置多于一个的可熔构件，特别地在所述通道的每一端处均设置一个，所述优选实施方式提供了在所述构件中的一个失效的情况下确保该方法的可能性。

替换实施方式包括将组件4滑动至包括孔容器中，所述孔用于让封闭构件从所述孔中显露。所述容器的内部具有的形状与所述堆叠的形状匹配，或者所述容器的内部足够柔性以便在热等静压缩期间变形以及将压力传递至组件4。在所述容器的外部上突出的可熔构件然后在其周界上被焊接，以便密封容器/可熔构件界面。在期望的模件包括多个流体循环层(即，沿着所述板的堆叠方向的多个叠置通道，这通过堆叠带槽板并通过实心板将所述带槽板彼此分隔而获得)的情况下，这种技术是特别优选的。当板6和10的周边不能被焊接时(例如因为冶金相容性的原因)，这种技术也是优选的。

通过用热等静压缩来处理组件4而继续模件1的制造。在压缩之前，通过经由孔口20抽吸来进行所述堆叠的脱气，所述孔口形成在外壳的壁(这里是板6中的一个)中，如图2所示。一旦脱气完成，孔口20就利用阻塞物(stopper)22来密封地封闭，以实现通道2相对于组件4的外部的密封。

组件4的压缩通过应用温度和压力条件在适当的壳(没有被显示出)内进行，所述温度和压力条件现在将参考图6来详细描述。

如前文提到的，首先将压力和温度升高，以便所述压力和温度在时刻ta分别达到值P1和T1。这个升高可以持续一个小时，或者甚至更长，应理解，保险器保持为惰性的。

从这个时刻ta起，执行第一热等静压缩阶段，在此第一热等静压缩阶段期间，值T1和P1分别维持在大约1,100℃和150巴。在这个第一阶段期间，板6、10开始通过扩散利用界面焊接，即，在固体状态下，而加压气体不能透入通道2中并且不能干扰这个焊接。在这个第一阶段期间观察到的持续时间D1为大约一小时的焊接对于获得界面的密封是足够的，但是具有低的机械阻力，且旨在通过应用后续的第二压缩阶段来强化。这里，前面提到的界面当然是板6与10之间的接触表面。

在这个第一阶段应用的压力P1和温度T1对于引起封闭构件12的破裂是不足够的，通过可能的轻微变形来抵抗所述破裂。而且，正是保存了这些构件而保证加压气体将不会干扰在所述界面处的焊接。

通过温度和压力的新的升高来继续所述压缩步骤，所述温度和压力分别升高到1,200℃量级的值T2和1,500巴量级的值P2。

在压力这次升高的期间(升高的持续时间D2可以是一至两个小时的量级)，每个可熔封闭构件12在应用的压力的作用下通过爆裂而破坏，所述可熔封闭构件然后履行它的机械保险器的功能。从破裂时刻tr起，所述外壳的密封被打破，并且允许组件4的外部与通道2之间的连通。加压气体因此可以经由接合孔口24透入通道2中，换句话说，在初始设置的构件12处形成通路，如在图7中所示的那样。优选地，tr接近tb。

一旦达到压力P2和温度T2，则在时刻tc处开始第二压缩阶段。所述第二压缩阶段可以持续大约两个小时，直到到达对应于开始冷却的时刻td。所述第二压缩阶段提供了应用比在第一阶段期间大得多的压力的可能性，有利于在扩散-焊接界面处获得强的机械强度，而不会导致通道2的压碎，所述通道因此可以保持期望的几何形状。这通过这样的事实来解释：通道2的内部在这里经受的压力与被施加在正经受压缩的组件的外表面上的压力相同。

然后获得了所谓的整体式模件的模件1，相当于被流体循环通道2穿过的大块体，例如多材料的块体。

在使用模件1之前，每个接合孔口24通过机械加工来重新校准，以便在模件中实现流体的符合要求的流入/流出，否则所述模件按照图3、图4和图7中所示的平面28被分割，以便显露出入口2a/出口2b。

在在热交换器系统中使用所述模件的期间，流体例如通过设置在通道2的入口2a处的入口支管(没有被显示出)被引入。然后，在流体通过出口2b从通道2排出，并且例如进入所述系统的排出歧管(没有被显示出)中之前，所述流体通过在所述通道中蜿蜒流动而循环。

现在参见图8，显示了可熔封闭构件12的替换实施方式。所述可熔封闭构件不再是带槽板10的整体部分，而是附加至所述带槽板上，优选地通过焊接来附加。所述可熔封闭构件可以滑入为此目的而设置的孔口中，或者附加在所述板的边缘上，如在图8中所示的那样。这个构件可以采用与前面描述的机械保险器类似的机械保险器的形状，或者采用热保险器的形状，所述热保险器的熔点包括在T1与T2之间，以便在于时刻tb开始的温度升高的期间破坏。任何材料都可以被考虑，比如铜，或者甚至低共熔混合物。

在图9中，前面的两个解决方案被组合，因为带槽板10设有面向通道2的以及穿孔16的出口的材料结带12，并且还设有封闭在容纳所述组件的容器30上制成的通孔29的另一个构件12a。在这种情况下，孔口29与穿孔16连续设置。在这里，两个保险器各自将在于时刻tb开始的温度和压力升高的期间同时地或者相继地破坏，以使得在第二压缩阶段开始的时刻tc处，通道2与外壳30的外部连通。优选地，保险器12a是热保险器，并且保险器12是机械保险器；在这种情况下，在低压力阶段期间热保险器通过将保险器12与压力隔离而保护该保险器。这目的在于，在结带厚度E比预期的小的情况下，降低机械保险器12过早失效的风险。

当然，本领域普通技术人员可以对刚才仅仅作为非限制性实例描述的本发明作各种修改。

Claims (8)

1.一种通过热等静压缩来制造具有中空区域(2)的模件(1)的方法，包括：

-制成包括限定出所述中空区域的叠置元件(6、10)的组件(4)的步骤，所述组件被制成为形成包含所述中空区域的防漏外壳，所述防漏外壳包括将所述中空区域(2)与所述组件的外部分隔开的至少一个可熔封闭构件(12)；接着

-热等静压缩所述组件的步骤，实现该步骤以获得所述组件的元件的扩散焊接，这个步骤通过改变温度和压力条件以使得所述温度和压力条件在这个步骤期间导致所述可熔封闭构件(12)破裂来执行，所述可熔封闭构件的破裂允许加压气体透入所述中空区域(2)中，

其中，所述温度和压力条件被保持以便在温度T1、压力P1下实现持续时间D1的第一压缩阶段，然后在温度T2、大于压力P1的压力P2下实现持续时间D2的第二压缩阶段，所述可熔封闭构件的破裂在所述第一压缩阶段与所述第二压缩阶段之间发生。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压力P1在50与200巴之间，以及压力P2在1,000与2,000巴之间。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述温度T1和T2各自均在900与1,200℃之间。

4.根据前述权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，所述封闭构件(12)形成热保险器或者机械保险器。

5.根据前述权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，所述封闭构件(12)为所述组件的所述元件的其中一个的整体部分，或者所述封闭构件附加至这些元件的其中一个上。

6.根据前述权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，所述中空区域采用一个或多个流体循环通道(2)的形式。

7.根据前述权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，所述模件(1)被设置以用于装备热交换器系统。

8.根据前述权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，所述模件(1)采用板的形式。