CN105478991B - 一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法，该部件的结构材料为低活化马氏体钢，采用铣槽底板和盖板爆炸焊接的方案形成内嵌流道，通过在流道槽中填充低熔点金属和碳钢板以减少爆炸冲击波导致的流道变形并保证良好的焊接效果，且便于后期在较低温度下加热去除。同时，在部件外侧爆炸复合一层纳米氧化物增强低活化马氏体钢以提高部件的服役上限温度，在炸药与纳米氧化物增强低活化马氏体钢之间增加缓冲层，以避免板件产生裂纹。本方法可一次性实现铣槽底板、盖板及纳米氧化物增强低活化马氏体钢的结合，可有效提高大型包层耐热部件的制备效率，并保证在部件制备过程中材料微观组织的稳定性。

Description

一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法
技术领域
本发明涉及聚变堆包层制备的技术领域，具体涉及一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法。
背景技术
聚变堆包层需要承受堆芯14MeV高能中子辐照，高能量密度热流(>1MW/m2)的冲击等恶劣环境。低活化马氏体钢(Reduced Activaiton Martensitic/Ferritic steel)具有抗高能中子辐照、低活化、高温性能良好等优点被认为是未来第一座聚变堆的首选结构材料。包层第一壁等耐热部件内部具有大量的冷却剂流道，一方面冷却剂可以将聚变产生的核热带出包层以实现能量利用，一方面冷却剂可以实现包层第一壁的冷却，避免包层部件超过其服役温度上限造成安全事故。
根据专利ZL200810021143.5和ZL201110250135.4，以及国内外相关文献可知，目前包层第一壁的制备方案主要是无缝管和板件的热等静压扩散连接(Hot IsostaticPressing-Diffusion Bonding)方式。包层第一壁HIP-DB的制备方案所涉及的工序多而复杂，对焊接前材料的表面状态，清洁度，以及真空封装要求非常高。而且，HIP-DB方案需要将带焊接部件整体加热到1100℃左右保温2～4小时，这对于材料的微观组织造成了非常大的影响，其原奥氏体晶粒尺寸由HIP-DB之前的10微米以下增加到几百微米，而且碳化物出现显著粗化。这可能对部件的高温长时服役性能造成不利影响。另外，受到热等静压扩散焊接设备尺寸的限制，全世界可开展全尺寸包层第一壁制备的厂家都非常少。因而，需要发展一种可操作性好，对材料微观组织影响小的包层第一壁制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法，并可将这种方法应用于聚变堆包层第一壁的制备。本发明通过爆炸焊接的方式，实现包层部件内嵌流道的成型以及纳米氧化物增强的低活化马氏体钢的复合连接。为实现上述目的，本发明采用铣槽的板件和外侧盖板的连接实现流道的成型，并通过内部填充防止流道在爆炸冲击波的作用下变形。同时通过在炸药层和纳米氧化物增强的低活化马氏体钢之间铺设缓冲层以提高纳米氧化物增强低活化马氏体钢连接的成功率。
本发明采用的技术方案为：一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法，该方法步骤如下：
首先，加工低活化马氏体钢制备铣槽底板和盖板，并在底板槽内加入填充物；
其次，在盖板上方复合一层纳米氧化物增强低活化马氏体钢；
再次，炸药置于纳米氧化物增强马氏体钢上方，并在炸药与纳米氧化物增强低活化马氏体钢之间设置缓冲层；
最后，通过雷管从一端引爆炸药，依次顺序爆炸，并在爆炸焊接后去除填充物。
其中，铣槽流道内部填充一层低熔点金属和一层碳钢板，且填充物整体厚度高于铣槽深度0～5％。
其中，盖板外侧爆炸复合一层2～6mm的纳米氧化物增强低活化马氏体钢，以提高包层耐热部件的服役温度。
其中，在炸药层与氧化物增强低活化马氏体钢之间设置缓冲层，缓冲层为2～4层毛毡，毛毡层之间通过动物油脂进行粘合。
其中，通过爆炸方式可在较低温度下一次性实现铣槽底板、盖板及纳米氧化物增强低活化马氏体钢之间的多层焊接，保证材料微观组织的稳定性，并有效地降低成本和提高部件制备效率。
本发明的原理在于：
爆炸焊接工序少而简单，不受部件尺寸的限制，可以实现大面积的多层板件连接，而且爆炸焊接属于冷压焊，对于材料的微观组织几乎没有影响，可以保证结构材料的服役性能。因此，爆炸焊接可以作为包层第一壁等耐热部件制备的重要候选方案。
包层部件的内嵌流道可以通过铣槽底板和盖板的爆炸焊接成型，为了防止流道在爆炸冲击波的作用下变形，通过填充物对盖板进行支撑。填充物采用密实的低熔点金属，如熔点在200℃以下的锡、铅的合金等。低熔点金属上方加一层碳钢板，同时填充物整体厚度略高于铣槽深度0～5％。这种设计一方面可以保证填充物在冲击波的作用下具有一定的收缩余量对盖板起到支撑作用，另一方面可以让焊接成型之后的填充物便于去除，同时上置碳钢板可以避免较软的低熔点金属流入流道间肋条与盖板之间造成未焊合。
由于低活化马氏体钢的力学性能受服役温度影响大。当环境温度超过550℃时，其力学性能出现显著下降。因此，RAFM钢的服役上限温度为550℃。根据热力学第二定律的原理，服役温度的提升可以显著提高系统的能量利用和转换效率，例如发电效率。通过纳米氧化物增强可以提高低活化马氏体钢的高温性能，使其服役上限温度提高至650℃。通过在包层第一壁外侧复合上一层纳米氧化物增强的马氏体钢可以提高包层的服役上限温度和冷却剂的出口温度，实现聚变堆的能量利用效率的提升。但由于纳米氧化物增强的低活化马氏体钢强度高、塑性低，尤其冲击性能较差。在爆炸过程中，由于冲击波的直接作用可能导致板件过度变形而开裂的问题，需要在炸药层和纳米氧化物增强的低活化马氏体钢之间增加缓冲层，以提高焊接的可靠性和成功率。本发明采用2～4毛毡作为缓冲层，毛毡之间通过动物油脂作为粘合剂。
本发明制备的含内嵌流道的包层耐热部件经过后期热处理，矫形和平整后通过在焊合面打孔后进行打压来检测焊接效果。检测气体为氦气，检测压力为8～10MPa，保压时间为0.5～2小时。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)相对于包层耐热部件的热等静压扩散焊接制备方案，本发明采用的爆炸焊接工艺可以显著减少包层耐热部件的制备工序和难度，且本发明采用的方案对部件微观组织的影响非常小。
(2)通过低熔点金属和碳钢板作为填充物，可以减小流道的变形，同时避免了较软的低熔点金属流入肋条与盖板之间导致未焊合。
(3)通过在包层耐热部件外侧复合一层纳米氧化物增强的低活化马氏体钢，提高了现有包层部件的上限运行温度。同时，在炸药层和纳米氧化物增强低活化马氏体钢之间增加缓冲层可以尽量避免塑性较差的氧化物增强低活化马氏体钢变形过大而产生裂纹等缺陷，提高焊接的成功率。
附图说明
图1为含内嵌流道的包层耐热部件的爆炸焊接方案示意图。
图中附图标记含义为：1为雷管；2为炸药层；3为缓冲层；4为纳米氧化物增强低活化马氏体钢板；5为支撑柱；6为低活化马氏体钢盖板；7为碳钢板；8为低熔点金属；9为低活化马氏体钢铣槽底板，10为沙地或软土地面。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，在平整后的沙地或软土地面10上放置低活化马氏体钢铣槽底板9，铣槽的横截面与冷却剂流道横截面一致，然后将低熔点金属8和碳钢板7和放置在底板铣槽内。
低熔点金属为锡合金或铅合金，同时保证低熔点金属和碳钢填充物整体高度高于铣槽深度0～5％。
然后将低活化马氏体钢盖板6放置在低活化马氏体钢铣槽底板9之上。在低活化马氏体钢盖板6与纳米氧化物增强低活化马氏体钢板4之间的两端放置支撑柱5，支撑柱高度2～5mm。纳米氧化物增强的低活化钢厚度为2～6mm，其与炸药层之间铺设2～4层毛毡组成的缓冲层3，毛毡之间采用黄油或其他动物油脂作为粘合剂。雷管1设置在炸药层2的一端。
点燃雷管1，炸药层2依次从左至右瞬间爆炸，爆炸波通过缓冲层后作用在纳米氧化物增强低活化马氏体钢板4与低活化马氏体钢盖板6上，瞬时的高速碰撞与挤压使得材料的接触界面距离足够小，形成金属键，并在接触界面上部分动能转化为热能，使接触界面温度急剧升高，当温度超过材料的熔点时接触面上部分熔化。
爆炸完成后对部件整体加热至流道内锡合金或铅合金等低熔点金属的熔点，使其熔化流出，并取出碳钢板，得到内嵌流道。
该方法通过一次爆炸可同时实现流道铣槽基体和盖板的焊接，以及盖板与纳米氧化物增强低活化马氏体钢之间的焊接，有效减少了焊接次数和热等静压扩散焊带来的晶粒粗化，有效提高了部件的整体性能；同时，缓冲层可有效减缓爆炸冲击对较硬的氧化物增强低活化马氏体钢的损伤，又能将爆炸产生的冲击能量有效传递到待焊接界面。

Claims (4)

1.一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法，其特征在于：该方法步骤如下：
首先，加工低活化马氏体钢铣槽底板和盖板，并在底板流道槽内加入填充物；
其次，在盖板上方放置一层纳米氧化物增强低活化马氏体钢；
再次，炸药置于纳米氧化物增强低活化马氏体钢上方，并在炸药与纳米氧化物增强低活化马氏体钢之间设置缓冲层；
最后，通过雷管从一端引爆炸药，依次顺序爆炸，并在爆炸焊接后去除填充物。
2.根据权利要求1所述的一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法，其特征在于：铣槽流道内部填充一层低熔点金属和一层碳钢板，且填充物整体厚度高于铣槽深度0～5％。
3.根据权利要求1所述的一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法，其特征在于：盖板外侧爆炸复合一层2～6mm的纳米氧化物增强低活化马氏体钢，以提高包层耐热部件的服役温度。
4.根据权利要求1所述的一种含内嵌流道的聚变堆包层耐热部件制备方法，其特征在于：在炸药层与纳米氧化物增强低活化马氏体钢之间设置缓冲层，缓冲层为2～4层毛毡，毛毡层之间通过动物油脂进行粘合。
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