CN110871327B - 一种聚变堆高热负荷多层复合管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种属于聚变堆部件冷却技术，具体公开了一种聚变堆高热负荷多层复合管及其制造方法，内层管采用不锈钢管，中间层管采用铜管，外层管采用合金或陶瓷，首先清洗铜管，采用钨合金制备外层管，清洗内层不锈钢管之后冷轧铜管及不锈钢管，然后装配钨合金管，将装配好的三层复合管放于真空炉内，钨合金管&铜管采用真空钎焊，不锈钢管&铜管采用真空扩散焊接。通过轴对称冷挤压处理能保证铜管与钢管之间产生均匀的残余压应力，通过真空扩散焊接能保证100％连接，将钨&铜真空钎焊和不锈钢&铜真空扩散焊接一并执行，在节约了大量成本的同时避免钨铜钎焊高温对不锈钢铜钎焊接头产生影响，丝状填充钎料相比带状钎料实用性更好。

Description

一种聚变堆高热负荷多层复合管及其制造方法
技术领域
本发明属于聚变堆部件冷却技术领域，具体涉及一种多层复合管及制造方法。
背景技术
聚变装置中大量使用不锈钢与铜及钨合金相互连接构成的部件用于承受高热负荷及严苛的中子辐照环境。经测试发现，传统的不锈钢、铜合金、钨合金三层结构采取不锈钢与铜合金+铜合金与钨合金两次真空钎焊工艺路线，钨合金与铜合金真空钎焊往往容易对不锈钢与铜合金真空钎焊接头的性能产生影响，不能保证聚变装置换热部件的安全稳定运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚变堆高热负荷多层复合管及其制造方法，能够提高和保证聚变装置冷却部件的冷却效率和可靠性。
本发明的技术方案如下：
一种聚变堆高热负荷多层复合管，其为三层同轴装配的管结构，内层管采用不锈钢管，中间层管采用铜管，外层管采用合金或陶瓷。
一种聚变堆高热负荷多层复合管制造方法，采用如下步骤：
1)选择外径2-50mm，厚度2-10mm的铜管，对其清洗；
2)加工外层管
采用钨合金制备外层管，钨合金管的厚度为2-10mm；
在钨合金管内壁沿轴向加工一个0.8-1.5mm宽，2-4mm长的方槽；
3)清洗内层不锈钢管；
4)冷轧铜管及不锈钢管
铜管与不锈钢管放入轧管机进行冷轧，制成组件；
5)装配钨合金管
将冷轧后的铜管及不锈钢管组件放入钨合金管中；
将B-Ag64CuInMnNi焊丝插入钨管中预留的方槽中；
6)焊接
将装配好的三层复合管放于真空炉内，钨合金管与铜管采用真空钎焊，不锈钢管与铜管采用真空扩散焊接。
步骤1)中使用浓度为5％-12％的硝酸酸清洗铜管内外表面，然后将铜管放置在无水乙醇中进行超声清洗30-60分钟，然后吹干备用。
步骤3)清洗内层不锈钢管，具体为：采用不锈钢刷去除不锈钢管表面的氧化膜，随后在无水乙醇中超声清洗30-60分钟。
步骤4)具体为：
4.1)将铜管与不锈钢管组件组装，铜管在外，并用玻璃胶将两端的间隙密封；
4.2)将芯棒安装于不锈钢管内，间隙控制在0.2-0.4mm，芯棒材料与不锈钢管材料相同；
4.3)安装铜管与不锈钢管组件，将其套装在芯棒外；
4.4)轧制开始后，待出现定径段，在线测量铜管尺寸，根据目标值微调轧辊间隙直至尺寸合格，每次微调0.2mm；
4.5)轧制完成后，利用石油醚去除表面油污并利用在无水乙醇中超声清洗 30分钟，吹干备用。
步骤5)中B-Ag64CuInMnNi焊丝中各成分的质量百分比为：Ag 64％、Cu 26％、ln6％、Mn 2％、Ni 2％。
步骤6)中对不锈钢管与铜管进行真空扩散焊接时，按照如下步骤调整工艺参数：
6.1)抽真空至5×10-3Pa，加热由室温至400℃(1h内)，保温30分钟；
6.2)400℃-600℃(1h)，保温40min，真空度维持在5×10-3Pa；
6.3)600℃-760℃(3-5h)，保温1小时，真空度维持在5×10-3Pa；
6.4)随炉冷却至室温，真空度维持在5×10-3Pa。
步骤6)中对钨合金与铜合金进行真空钎焊时，按照如下步骤调整工艺参数：
6.1)抽真空至5×10-3Pa，加热由室温至400℃(1h内)，保温30分钟；
6.2)400℃-600℃(1h)，保温40min，真空度维持在5×10-3Pa；
6.3)600℃-760℃(3-5h)，保温1小时，真空度维持在5×10-3Pa；
6.4)760℃-800℃(30min)，保温30分钟，真空度维持在5×10-3Pa；
6.5)随炉冷却至室温，真空度维持在5×10-3Pa。
所述的钨合金管内壁和铜管外壁的装配精度控制在0.02mm-0.05mm、铜管和钨合金管两管的同轴度控制在0.02mm-0.04mm。
本发明的显著效果如下：
1.通过轴对称冷挤压处理能保证铜管与钢管之间产生均匀的残余压应力，通过真空扩散焊接能保证100％连接。
2.将钨与铜真空钎焊和不锈钢与铜真空扩散焊接一并执行，在节约了大量成本的同时避免钨铜钎焊高温对不锈钢铜钎焊接头产生影响。
3.通过使用丝状填充钎料，填补了使用带状钎料钨合金管与铜管连接的长度限制。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明。
多层复合管为三层同轴装配的管结构：内层管采用不锈钢管，用于接触极低温液氦；中间层管采用铜管，用于导热；外层管采用合金或陶瓷，用于承受高热负荷。
装配之前分别采用内外径千分尺对三种管材进行尺寸检查，使其满足目标产品尺寸要求。
聚变堆高热负荷多层复合管制造方法，具体步骤为：
1)加工及清洗中间层铜管
铜管外径2-50mm，厚度2-10mm
之后对已经加工好的铜管进行清洗
使用浓度为5％-12％的硝酸酸，清洗铜管内外表面去除油污及氧化膜，随后将铜管放置在无水乙醇中进行超声清洗30-60分钟，然后吹干备用。
2)加工外层管
本实施例中采用钨合金制作外层管
钨合金管的厚度为2-10mm，内径与铜管匹配(给出值范围)；
外表面满足：钨合金管内壁和铜管外壁的装配精度控制在0.02mm-0.05mm、铜管和钨合金管两管的同轴度控制在0.02mm-0.04mm。
内表面满足：内表面粗糙要求低于Ra3.2
通过内窥镜检查加工后的钨管内外表面无裂纹；
之后采用线切割的方法在钨合金管内壁沿轴向加工一个0.8-1.5mm宽， 2-4mm长的方槽以用于插入数根丝状焊丝。
3)清洗内层不锈钢管
采用不锈钢刷去除不锈钢管表面的氧化膜，随后在无水乙醇中超声清洗 30-60分钟。
4)冷轧铜管及不锈钢管
铜管与不锈钢管放入轧管机进行冷轧，制成组件，变形量约为60％-80％。轧制过程要保证其整个圆周变形量均匀，避免厚薄不均。
冷轧过程采用轴对称冷挤压处理，具体步骤如下：
4.1)将铜管与不锈钢管组件组装，铜管在外，并用玻璃胶将两端的间隙密封，防止轧制初期润滑剂进入间隙影响后期结合效果；
4.2)选取直径小于不锈钢管的芯棒，将其安装于不锈钢管内，间隙控制在 0.2-0.4mm；芯棒材料与不锈钢管材料相同；
4.3)安装轧辊铜管与不锈钢管组件，将其套装在芯棒外；
4.4)轧制开始后，待出现定径段，在线测量铜管尺寸，根据目标值微调轧辊间隙直至尺寸合格，每次微调0.2mm。
4.5)轧制完成后，利用石油醚去除表面油污并利用在无水乙醇中超声清洗 30分钟，吹干备用。
铜管的变形量控制在25％-40％，轧制成形后，铜管和不锈钢管间隙应控制在0.01-0.03mm内，方能保证后期扩散焊的效果。
5)装配钨合金管
将冷轧后的铜管及不锈钢管组件放入钨合金管中；
将B-Ag64CuInMnNi焊丝插入钨管中预留的方槽中；
本实施例中B-Ag64CuInMnNi焊丝中各成分的质量百分比为：Ag 64％、Cu 26％、ln6％、Mn 2％、Ni 2％；
6)焊接
将装配好的三层复合管放于真空炉内，钨合金管与铜管的真空钎焊，不锈钢管与铜管的真空扩散焊接同时进行。
对不锈钢管与铜管进行真空扩散焊接时，按照如下步骤调整工艺参数：
6.1)抽真空至5×10-3Pa，加热由室温至400℃(1h内)，保温30分钟；
6.2)400℃-600℃(1h)，保温40min，真空度维持在5×10-3Pa；
6.3)600℃-760℃(3-5h)，保温1小时，真空度维持在5×10-3Pa；
6.4)随炉冷却至室温，真空度维持在5×10-3Pa。
对钨合金与铜合金进行真空钎焊时，按照如下步骤调整工艺参数：
6.1)抽真空至5×10-3Pa，加热由室温至400℃(1h内)，保温30分钟；
6.2)400℃-600℃(1h)，保温40min，真空度维持在5×10-3Pa；
6.3)600℃-760℃(3-5h)，保温1小时，真空度维持在5×10-3Pa；
6.4)760℃-800℃(30min)，保温30分钟，真空度维持在5×10-3Pa；
6.5)随炉冷却至室温，真空度维持在5×10-3Pa。
实施例1：316LN不锈钢管+T2纯铜+W合金功能部件(钨合金管)
1.选取直径φ40mm长度500mm的T2 M态纯铜棒材，采用高精度深孔钻在铜棒中心加工出φ10.2*500mm的深孔。
2.选取φ10mm*2长度为1000mm的316LN不锈钢管，不锈钢管的圆度公差不得超过0.02mm，不锈钢管的直线度公差不得超过0.01mm/100mm。
3.使用10％的硝酸酸洗铜管及不锈钢管的内外表面。
4.将铜管与不锈钢管组件组装一起(铜管在外)，并用玻璃胶将两端的间隙密封，选取直径小于不锈钢管内径的芯棒，芯棒与不锈钢管内径的间隙控制在0.3mm，铜管的变形量控制在30％。采用皮尔格轧机将铜管和不锈钢管轧制成形复合管，轧制完成后利用石油醚去除表面油污并利用在无水乙醇中超声清洗30 分钟，吹干备用。轧制成形后，铜管和不锈钢管间隙应控制0.03mm之内。
5.将冷轧后的不锈钢-铜复合管放入钨管中，随后将直径为0.8mm的B-Ag64CuInMnNi焊丝插入钨管中预留的焊料槽中；
5.随后将三层复合管放于无水乙醇中超声清洗30分钟，吹干备用。
6.将装配好的三层复合管放于真空炉内，钨合金管与铜管的真空钎焊，不锈钢管与铜管的真空扩散焊接同时进行。
不锈钢管与铜管进行真空扩散焊接时，真空室参数调整为
6.1)抽真空至5×10-3Pa，加热由室温至400℃(1h内)，保温30分钟；
6.2)500℃(1h之内)，保温40min，真空度维持在5×10-3Pa；
6.3)700℃(3h之内)，保温1小时，真空度维持在5×10-3Pa；
6.4随炉冷却至室温，真空度维持在5×10-3Pa。
对钨合金与铜合金进行真空钎焊时，真空室参数调整为
6.1)抽真空至5×10-3Pa，加热由室温至400℃(1h内)，保温30分钟；
6.2)600℃(1h)，保温40min，真空度维持在5×10-3Pa；
6.3)730℃(3-5h)，保温1小时，真空度维持在5×10-3Pa；
6.4)780℃(30min)，保温30分钟，真空度维持在5×10-3Pa；
6.5)随炉冷却至室温，真空度维持在5×10-3Pa。
实施例2：316LN不锈钢管+T2 M态纯铜导热部件
1.选取60*100*300mm的T2 M态纯铜块，采用高精度深孔钻在铜块中心加工出φ10*500mm的深孔。铜内孔光洁度不得高于Ra3.2，铜内孔的圆度公差不得超过0.02mm,铜内孔的直线度公差不得超过0.01mm/100mm。
2.在铜块内孔采用线切割由内壁向外切出一个0.8-1.2mm高，1.6-2mm长，深度为300mm的方槽以用于插入2-3根丝状焊丝。
3.选取φ10*2mm,长度为500mm的316LN不锈钢管，不锈钢管的圆度公差不得超过0.02mm,不锈钢管的直线度公差不得超过0.01mm/100mm。不锈钢管外壁的粗糙度不得高于Ra3.2，采用磁控溅射的方法在不锈钢管的外壁镀镍，镀镍层的厚度为0.01mm。
4.控制铜管和不锈钢管的装配间隙为0.01mm，采用液氮将不锈钢管冷却至 77K后将不锈钢管迅速插入铜孔中。随后将直径为0.8mm的 B-Ag64CuInMnNi焊丝插入铜块预留的焊料槽中。
5.在组件无水乙醇中超声清洗30分钟，吹干备用。
6.将装配好的三层复合管放于真空炉内，钨合金管与铜管的真空钎焊，不锈钢管与铜管的真空扩散焊接同时进行。
不锈钢管与铜管进行真空扩散焊接时，真空室参数调整为
6.1)抽真空至5×10-3Pa，加热由室温至400℃(1h内)，保温30分钟；
6.2)600℃(1h之内)，保温40min，真空度维持在5×10-3Pa；
6.3)720℃(3h之内)，保温1小时，真空度维持在5×10-3Pa；
6.4)随炉冷却至室温，真空度维持在5×10-3Pa。
对钨合金与铜合金进行真空钎焊时，真空室参数调整为
6.1)抽真空至5×10-3Pa，加热由室温至400℃(1h内)，保温30分钟；
6.2)450℃(1h)，保温40min，真空度维持在5×10-3Pa；
6.3)650℃(3-5h)，保温1小时，真空度维持在5×10-3Pa；
6.4)760℃(30min)，保温30分钟，真空度维持在5×10-3Pa；
6.5)随炉冷却至室温，真空度维持在5×10-3Pa。

Claims (8)

1.一种聚变堆高热负荷多层复合管制造方法，其特征在于，采用如下步骤：
1)选择外径2-50mm，厚度2-10mm的铜管，对其清洗
2)加工外层管
采用钨合金制备外层管，钨合金管的厚度为2-10mm；
在钨合金管内壁沿轴向加工一个0.8-1.5mm宽，2-4mm长的方槽；
3)清洗内层不锈钢管；
4)冷轧铜管及不锈钢管
铜管与不锈钢管放入轧管机进行冷轧，制成组件；
5)装配钨合金管
将冷轧后的铜管及不锈钢管组件放入钨合金管中；
将B-Ag64CuInMnNi焊丝插入钨管中预留的焊料槽中；
6)焊接
将装配好的三层复合管放于真空炉内，钨合金管与铜管采用真空钎焊，不锈钢管与铜管采用真空扩散焊接。
2.如权利要求1所述的一种聚变堆高热负荷多层复合管制造方法，其特征在于：步骤1)中使用浓度为5％-12％的硝酸清洗铜管内外表面，然后将铜管放置在无水乙醇中进行超声清洗30-60分钟，然后吹干备用。
3.如权利要求1所述的一种聚变堆高热负荷多层复合管制造方法，其特征在于，步骤3)清洗内层不锈钢管，具体为：采用不锈钢刷去除不锈钢管表面的氧化膜，随后在无水乙醇中超声清洗30-60分钟。
4.如权利要求1所述的一种聚变堆高热负荷多层复合管制造方法，其特征在于，步骤4)具体为：
4.1)将铜管与不锈钢管组件组装，铜管在外，并用玻璃胶将两端的间隙密封；
4.2)将芯棒安装于不锈钢管内，间隙控制在0.2-0.4mm，芯棒材料与不锈钢管材料相同；
4.3)安装铜管与不锈钢管组件，将其套装在芯棒外；
4.4)轧制开始后，待出现定径段，在线测量铜管尺寸，根据目标值微调轧辊间隙直至尺寸合格，每次微调0.2mm；
4.5)轧制完成后，利用石油醚去除表面油污并利用在无水乙醇中超声清洗30分钟，吹干备用。
5.如权利要求1所述的一种聚变堆高热负荷多层复合管制造方法，其特征在于，步骤5)中B-Ag64CuInMnNi焊丝中各成分的质量百分比为：Ag 64％、Cu 26％、ln 6％、Mn 2％、Ni2％。
6.如权利要求1所述的一种聚变堆高热负荷多层复合管制造方法，其特征在于，步骤6)中对不锈钢管与铜管进行真空扩散焊接时，按照如下步骤调整工艺参数：
6.1)抽真空至5×10-3Pa，1h由室温加热至400℃，保温30分钟；
6.2)1h由400℃加热至600℃，保温40min，真空度维持在5×10-3Pa；
6.3)3-5h由600℃加热至760℃，保温1小时，真空度维持在5×10-3Pa；
6.4)随炉冷却至室温，真空度维持在5×10-3Pa。
7.如权利要求1所述的一种聚变堆高热负荷多层复合管制造方法，其特征在于，步骤6)中对钨合金管与铜管进行真空钎焊时，按照如下步骤调整工艺参数：
6.1)抽真空至5×10-3Pa，1h由室温加热至400℃，保温30分钟；
6.2)1h由400℃加热至600℃，保温40min，真空度维持在5×10-3Pa；
6.3)3-5h由600℃加热至760℃，保温1小时，真空度维持在5×10-3Pa；
6.4)30min由760℃加热至800℃，保温30分钟，真空度维持在5×10-3Pa；
6.5)随炉冷却至室温，真空度维持在5×10-3Pa。
8.如权利要求1所述的一种聚变堆高热负荷多层复合管制造方法，其特征在于：所述的钨合金管内壁和铜管外壁的装配精度控制在0.02mm-0.05mm、铜管和钨合金管两管的同轴度控制在0.02mm-0.04mm。
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钛-铜-不锈钢扩散复合管界面组织与性能;刘德义等;《材料热处理学报》;20131231;第34卷(第12期);第125-129页 *

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CN110871327A (zh) 2020-03-10

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