CN105047231B - 一种偏滤器模块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种偏滤器模块其制备方法，该偏滤器模块由纯Cu层、W/Cu梯度合金层和纯W层的三层结构组成，在纯W层和W/Cu梯度合金层的界面处有钨丝阵列，在纯Cu层中有贯穿孔道；所述纯Cu层和W/Cu梯度合金层之间为冶金结合。本发明的偏滤器模块具有通过梯度中间层来缓和热应力、利用钨丝阵列强化结构来提高界面结合强度的特点。
Description
技术领域
本发明属于无机材料技术领域，特别涉及一种偏滤器模块及其制备方法。
背景技术
磁约束核聚变是有望解决人类未来能源问题的重要途径。偏滤器是磁约束核聚变反应堆中服役环境最为严酷的部件之一，需要耐受超过10MW/m2的高热负荷。偏滤器的材料选择和结构设计，对于其服役性能有着重要影响
目前，偏滤器一般采用W/Cu复合材料和水冷结构。这种结构的特点是，在偏滤器面向等离子一侧采用高熔点的W材料，另一侧使用高热导的Cu材料作为热沉，并在Cu热沉中加工出水冷通道。由于W和Cu的热物理性质的显著差异，在W/Cu界面处存在较大热应力，容易导致界面失效。如何改善W/Cu界面结合，提高界面可靠性，是偏滤器设计与制造的核心问题。因此，需要提供一种偏滤器模块,其具有缓和热应力、提高界面结合强度的特点。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题在于提供一种偏滤器模块。
本发明要解决的第二个技术问题在于提供一种偏滤器模块的制备方法。
为解决第一个技术问题，本发明采用下述技术方案：
由纯Cu层、W/Cu梯度合金层和纯W层的三层结构组成，在纯W层和W/Cu梯度合金层的界面处有钨丝阵列，在纯Cu层中有贯穿孔道；所述纯Cu层和W/Cu梯度合金层之间为冶金结合(如图1)。
所述的W/Cu梯度合金层中，从纯Cu层至纯W层，Cu元素的质量百分比从99.5％连续过渡到20％，W元素的质量百分比从0连续过渡到80％。
优选地，所述底层的厚度为15-25mm，更优选地为18mm；所述的中间层的厚度为1-5mm，更优选地为3mm；所述的上层的厚度为0.5-2mm，更优选地为1mm；所述的钨丝阵列中钨丝的直径为0.5-2mm，更优选地为1mm。
优选地，所述贯穿孔道为圆柱形贯穿孔道。所述贯穿孔道的直径为10-12mm，更优选地为12mm。
优选地，所述底层和中间层之间为冶金结合，界面结合强度不低于100MPa。
优选地，所述的上层和中间层之间的通过钨丝连接，界面结合强度不低于40MPa。
为解决第二个技术问题，本发明采用如下技术手段：
一种偏滤器模块的制备方法，其包括以下步骤：
1)将W和Cu的混合粉末装入容器内并压制成坯，坯内预置钨丝阵列；
2)将Al粉和CuO粉混合均匀并压制成坯，置于所述W和Cu的混合粉末坯之上；
3)将所述容器置于离心力场中，然后将Al和CuO的混合粉末坯点燃，发生燃烧反应，生成上层为Al2O3，中间层为纯Cu，下层为含有钨丝阵列的W/Cu梯度合金；
4)去除步骤3)所述Al2O3，然后将产物剩余部分的上下表面打磨平整；
5)利用强酸腐蚀含有钨丝阵列的W/Cu梯度合金表面；
6)在W/Cu梯度合金表面生长一层纯W；
7)在纯Cu层内加工出贯穿孔道。
优选地，Al粉和CuO粉混合比例为摩尔比Al:CuO＝2:3；
优选地，所述Cu粉末的纯度不低于99.5％，所述W粉末的纯度不低于99.99％。
优选地，所述反应容器为坩埚、陶瓷舟或X；更优选地为石墨坩埚；
Al粉和CuO粉反应生成的高温Cu熔体，高温Cu熔体在离心力作用下迅速渗入W和Cu的混合粉末压坯中。反应完成后，得到的产物分为三层，上层为Al2O3，中间层为纯Cu，下层为含有钨丝阵列的W/Cu梯度合金。先将产物上层的Al2O3去除，然后将产物剩余部分的上下表面打磨平整。
优选地，离心速度为X-Yrpm/min。
所述强酸为X、X或X；利用强酸将含有钨丝阵列的W/Cu梯度合金表面进行腐蚀，使钨丝露出X-Ymm，优选地，钨丝露出1mm。
优选地，通过化学气相沉积的方法，在W/Cu梯度合金表面生长一层纯W。
优选地，通过线切割，在纯Cu层内加工出圆柱形贯穿孔道。
通过这种方法在制备的偏滤器由于具有梯度中间层和钨丝阵列强化结构，所以有利于缓和热应力、提高界面结合强度，最终提高偏滤器模块的可靠性。
本发明的有益效果如下：
本发明的偏滤器模块具有通过梯度中间层来缓和热应力、利用钨丝阵列强化结构来提高界面结合强度的特点。
说明书附图
图1：示出偏滤器模块的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例及附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
将W和Cu的混合粉末装入石墨坩埚内并压制成坯，坯内预置钨丝阵列。再将Al粉和CuO粉按照Al:CuO＝2:3的摩尔比混合均匀并压制成坯，置于所述的W和Cu的混合粉末坯之上。将石墨坩埚置于离心力场中(离心力为1000r/min)，用电热点火方式将Al和CuO的混合粉末坯点燃，Al和CuO的混合粉末压坯发生剧烈的燃烧反应，生成的高温Cu熔体在离心力作用下迅速渗入W和Cu的混合粉末坯中。反应完成后，得到的产物分为三层，上层为Al2O3，中间层为纯Cu，下层为含有钨丝阵列的W/Cu梯度合金。先将产物上层的Al2O3去除，然后将产物剩余部分的上下表面打磨平整。利用强酸将含有钨丝阵列的W/Cu梯度合金表面进行腐蚀，使钨丝露出1mm。然后通过化学气相沉积的方法，在W/Cu梯度合金表面生长一层厚度为0.5mm的纯W。通过线切割，在纯Cu层内加工出直径为10mm的圆柱形贯穿孔道。
最终制备出的偏滤器模块，由三层不同的材料构成，底层为纯Cu，中间层为W/Cu梯度合金，上层为纯W，并且在上层和中间层的界面处有钨丝阵列，在底层中有圆柱形贯穿孔道。底层的厚度为15mm，中间层的厚度为1mm，钨丝阵列中钨丝的直径为0.5mm。力学测试表明，底层和中间层的界面结合强度为110MPa，上层和中间层的界面结合强度为45MPa。
实施例2
将W和Cu的混合粉末装入石墨坩埚内并压制成坯，坯内预置钨丝阵列。再将Al粉和CuO粉按照Al:CuO＝2:3的摩尔比混合均匀并压制成坯，置于所述的W和Cu的混合粉末坯之上。将石墨坩埚置于离心力场中(离心力为5000r/min)，用电热点火方式将Al和CuO的混合粉末坯点燃，Al和CuO的混合粉末坯发生剧烈的燃烧反应，生成的高温Cu熔体在离心力作用下迅速渗入W和Cu的混合粉末坯中。反应完成后，得到的产物分为三层，上层为Al2O3，中间层为纯Cu，下层为含有钨丝阵列的W/Cu梯度合金。先将产物上层的Al2O3去除，然后将产物剩余部分的上下表面打磨平整。利用强酸将含有钨丝阵列的W/Cu梯度合金表面进行腐蚀，使钨丝露出1mm。然后通过化学气相沉积的方法，在W/Cu梯度合金表面生长一层厚度为2mm的纯W。通过线切割，在纯Cu层内加工出直径为12mm的圆柱形贯穿孔道。
最终制备出的偏滤器模块，由三层不同的材料构成，底层为纯Cu，中间层为W/Cu梯度合金，上层为纯W，并且在上层和中间层的界面处有钨丝阵列，在底层中有圆柱形贯穿孔道。底层的厚度为25mm，中间层的厚度为5mm，钨丝阵列中钨丝的直径为2mm。力学测试表明，底层和中间层的界面结合强度为120MPa，上层和中间层的界面结合强度为60MPa。
实施例3
将W和Cu的混合粉末装入石墨坩埚内并压制成坯，坯内预置钨丝阵列。再将Al粉和CuO粉按照Al:CuO＝2:3的摩尔比混合均匀并压制成坯，置于所述的W和Cu的混合粉末坯之上。将石墨坩埚置于离心力场中(离心力为10000r/min)，用电热点火方式将Al和CuO的混合粉末坯点燃，Al和CuO的混合粉末坯发生剧烈的燃烧反应，生成的高温Cu熔体在离心力作用下迅速渗入W和Cu的混合粉末坯中。反应完成后，得到的产物分为三层，上层为Al2O3，中间层为纯Cu，下层为含有钨丝阵列的W/Cu梯度合金。先将产物上层的Al2O3去除，然后将产物剩余部分的上下表面打磨平整。利用强酸将含有钨丝阵列的W/Cu梯度合金表面进行腐蚀，使钨丝露出1mm。然后通过化学气相沉积的方法，在W/Cu梯度合金表面生长一层厚度为1mm的纯W。通过线切割，在纯Cu层内加工出直径为11mm的圆柱形贯穿孔道。
最终制备出的偏滤器模块，由三层不同的材料构成，底层为纯Cu，中间层为W/Cu梯度合金，上层为纯W，并且在上层和中间层的界面处有钨丝阵列，在底层中有圆柱形贯穿孔道。底层的厚度为18mm，中间层的厚度为3mm，钨丝阵列中钨丝的直径为1mm。力学测试表明，底层和中间层的界面结合强度为108MPa，上层和中间层的界面结合强度为52MPa。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (12)
1.一种偏滤器模块，其特征在于：由纯Cu层、W/Cu梯度合金层和纯W层的三层结构组成，底层为纯Cu，中间层为W/Cu梯度合金，上层为纯W；在纯W层和W/Cu梯度合金层的界面处有钨丝阵列，在纯Cu层中有贯穿孔道；所述纯Cu层和W/Cu梯度合金层之间为冶金结合。
2.根据权利要求1所述的偏滤器模块，其特征在于：所述底层和中间层的界面结合强度不低于100MPa。
3.根据权利要求1所述的偏滤器模块，其特征在于：所述的W/Cu梯度合金层中，从纯Cu层至纯W层，Cu元素的质量百分比从99.5％连续过渡到20％，W元素的质量百分比从0连续过渡到80％。
4.根据权利要求1所述的偏滤器模块，其特征在于：所述底层的厚度为15-25mm；所述的中间层的厚度为1-5mm；所述的上层的厚度为0.5-2mm。
5.根据权利要求1所述的偏滤器模块，其特征在于：所述底层的厚度为18mm；所述的中间层的厚度为3mm；所述的上层的厚度为1mm。
6.根据权利要求1所述的偏滤器模块，其特征在于：所述的钨丝阵列中钨丝的直径为0.5-2mm。
7.根据权利要求1所述的偏滤器模块，其特征在于：所述贯穿孔道为圆柱形，贯穿孔道直径为10-12mm。
8.一种权利要求1-7任一项所述偏滤器模块的制备方法，其包括以下步骤：
1)将W和Cu的混合粉末装入容器内并压制成坯，坯内预置钨丝阵列；
2)将Al粉和CuO粉混合均匀并压制成坯，置于所述W和Cu的混合粉末坯之上；
3)将所述容器置于离心力场中，然后将Al和CuO的混合粉末坯点燃，发生燃烧反应，生成上层为Al2O3，中间层为纯Cu，下层为含有钨丝阵列的W/Cu梯度合金；
4)去除步骤3)所述Al2O3，然后将产物剩余部分的上下表面打磨平整；
5)利用强酸腐蚀含有钨丝阵列的W/Cu梯度合金表面；
6)在W/Cu梯度合金表面生长一层纯W；
7)在纯Cu层内加工出贯穿孔道。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中Al粉和CuO粉混合比例为摩尔比Al:CuO＝2:3。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述Cu粉末的纯度不低于99.5％，所述W粉末的纯度不低于99.99％。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：离心力为1000-10000r/min。
12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤6)中W的生长方法为化学气相沉积的方法。
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