CN117038116A - 一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，包括钨、无氧铜与热沉结构，所述无氧铜一侧的形状与所述钨的周期性形状匹配，所述无氧铜另一侧与所述热沉结构紧密相连，所述钨作为面对等离子体的第一壁，所述无氧铜作为所述钨与所述热沉结构之间的过渡材料，所述钨与所述无氧铜的连接方式为非平面连接。本发明采用的一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，采用了非平面连接设计，从而减小了钨铜界面的剪切力，提高偏滤器的服役寿命。
Description
技术领域
本发明涉及聚变装置偏滤器结构技术领域，尤其是涉及一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件。
背景技术
钨铜偏滤器冷却通道由三个部分组成，包括直接面向等离子体的钨层、热沉结构以及作为梯度材料的无氧铜层。
偏滤器靶板因承受等离子体带来的高温和高温度梯度极端作用而造成靶板材料结构损伤。偏滤器靶在反复高热流冲击下，第一壁材料表面会出现相变、裂纹、表面粗糙化及连接界面脱粘现象，会造成靶板失效，严重影响磁约束核聚变装置的稳定与安全运行。
脱粘是一种常见的结构损伤，从力学角度，脱粘由剪切力引起的。由于W和CuCrZr的热膨胀系数和杨氏模量相差大，导致钨铜偏滤器在高热载荷下会产生热应力，而Cu的材质软，夹在W和CuCrZr两种材料之中减少偏滤器服役过程中两种材料连接界面处产生的热应力，但Cu在周期性高热流载荷下不断累积塑性变形，而累积塑性变形会使钨/铜界面的剪切力变大，导致钨铜界面脱粘。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，采用了非平面连接设计，从而减小了钨铜界面的剪切力，提高偏滤器的服役寿命。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，包括钨、无氧铜与热沉结构，所述无氧铜一侧的形状与所述钨的周期性形状匹配，所述无氧铜另一侧与所述热沉结构紧密相连，所述钨作为面对等离子体的第一壁，所述无氧铜作为所述钨与所述热沉结构之间的过渡材料，所述钨与所述无氧铜的连接方式为非平面连接。
优选的，所述钨与所述无氧铜连接方式的周期性形状为锐角形、直角形、钝角形、圆齿形与正弦曲线形，所述钨与所述无氧铜连接方式的周期性的制备方式为激光切割方式。
优选的，所述无氧铜的厚度在1-3mm，所述无氧铜用浇铸方式与所述钨紧密连接。
优选的，所述热沉结构材质为铬锆铜合金、不锈钢与低活化钢。
优选的，所述钨与所述无氧铜界面连接形式的周期性形状的高度在1-3mm，所述钨与所述无氧铜界面连接形式的周期性形状齿宽在0.2-5mm。
优选的，所述无氧铜与所述热沉结构通过真空钎焊与热等静压方式制备。
优选的，所述热沉结构包含冷却管流道。
因此，本发明采用上述结构的一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，采用了非平面连接设计，从而减小了钨铜界面的剪切力，提高偏滤器的服役寿命。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件实施例结构示意图；
图2为本发明一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件实施例现有偏滤器钨铜连接形式与5种新型偏滤器钨铜连接形式示意图；
图3为本发明一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件实施例现有连接形式偏滤器与新型连接形式偏滤器在未脱粘与脱粘失效时第一壁材料的温度曲线与偏滤器温度分布云图。
图4为本发明一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件实施例高度相同时，不同齿宽的锯齿形连接形式示意图；
图5为本发明一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件实施例1的一种基于钨/铜界面连接方式的防脱粘新型偏滤器组件示意图；
图6为本发明一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件实施例2的一种基于钨/铜界面连接方式的防脱粘新型偏滤器组件示意图。
附图标记
1、钨；2、无氧铜；3、热沉结构。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图1-6所示，本发明公开了一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，如图1所示，包括钨1、无氧铜2与热沉结构3，无氧铜2一侧的形状与钨1的周期性形状匹配，无氧铜2另一侧与热沉结构3紧密相连，钨1作为面对等离子体的第一壁，无氧铜2作为钨1与热沉结构3之间的过渡材料，钨1与无氧铜2的连接方式为非平面连接，钨1与无氧铜2的连接方式为具有周期性的规则形状连接方式。
钨1与无氧铜2连接方式的周期性形状为锐角形、直角形、钝角形、圆齿形与正弦曲线形，钨1与无氧铜2连接方式的周期性的制备方式为激光切割方式。
无氧铜2的厚度在1-3mm之间，无氧铜2用浇铸方式与钨1紧密连接。
热沉结构3材质为铬锆铜合金、不锈钢与低活化钢。
钨1与无氧铜2界面连接形式的周期性形状的高度在1-3mm之间，钨1与无氧铜2界面连接形式的周期性形状齿宽在0.2-5mm之间。
无氧铜2与热沉结构3通过真空钎焊与热等静压方式制备。
热沉结构3包含冷却管流道。
利用激光切割方式在5mm-6mm的钨1上制备图2所示的规则周期性形状，周期性形状分别为直角锯齿连接形式(图2b)、锐角锯齿连接形式(图2c)、钝角锯齿连接形式(图2d)、圆齿连接形式(图2e)与正弦曲线连接形式(图2f)。
图3为基于abaqus对5种新型连接形式与现有连接形式进行热冲击脱粘前后钨1表面中心温度变化曲线及整体温度云图，热载方式为类偏滤器服役条件，周期为22s，在钨1层设置表面热流密度，0-1s由0增大到10MW/㎡的瞬态热流密度；1-11s施加的10MW/㎡稳态热流密度；11-22s不施加表面热流。通过计算可知，现有连接形式发生40％的界面脱粘便会失去其正常传热的效果，而新型直角锯齿形、锐角锯齿形、钝角锯齿形、圆齿形与正弦曲线形连接形式分别在90％、91.2％、89.1％、76.3％与78.6界面脱粘时才会发生传热失效。
图4是齿高相同的时候，齿宽分别为5mm、3.33mm、2.5mm、2mm、
1.67mm、1.25mm、0.83mm、0.4mm与0.2mm的锯齿形连接形式的偏滤器截面示意图。
表1是对图4中不同齿宽连接形式的疲劳寿命对比，疲劳寿命是根据Manson-Coffin应变疲劳公式计算的疲劳寿命，其基本公式为：
Δεγ＝0.4(Nf)-0.075-49.89(Nf)-0.57；
此式中Δεγ表示一个加载循环下的总应变增量，Nf表示循环次数寿命。
表1所述的在齿高相同时，齿宽越小、齿数越多的连接形式的偏滤器疲劳寿命越长，防脱粘性能越好。这是由于齿宽小、齿数多的连接形式具有更大的接触面积，有益传热；改变热应变方向越大；增大了脱粘时所需的表面能。
表1不同锯齿数量的连接形式的疲劳寿命
实施例1：
该实施例组件结构示意图如图5所示，第一壁材料为钨1，钨1的一侧面向等离子体，钨1的另一侧制备成具有圆齿形的规则周期性结构，有结构的一面与过渡层无氧铜2紧密相连，无氧铜2另一侧与热沉结构3紧密相连。
实施例2：
该实施例组件结构示意图如图6所示，第一壁材料为钨1，钨1的一侧面向等离子体，钨1的另一侧制备成具有正弦形的规则周期性结构，有结构的一面与过渡层无氧铜2紧密相连，无氧铜2另一侧与热沉结构3紧密相连。
因此，本发明采用上述结构的一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，采用了非平面连接设计，从而减小了钨铜界面的剪切力，提高偏滤器的服役寿命。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，其特征在于：包括钨、无氧铜与热沉结构，所述无氧铜一侧的形状与所述钨的周期性形状匹配，所述无氧铜另一侧与所述热沉结构紧密相连，所述钨作为面对等离子体的第一壁，所述无氧铜作为所述钨与所述热沉结构之间的过渡材料，所述钨与所述无氧铜的连接方式为非平面连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，其特征在于：所述钨与所述无氧铜连接方式的周期性形状为锐角形、直角形、钝角形、圆齿形与正弦曲线形，所述钨与所述无氧铜连接方式的周期性的制备方式为激光切割方式。
3.根据权利要求1所述的一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，其特征在于：所述无氧铜的厚度在1-3mm，所述无氧铜用浇铸方式与所述钨紧密连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，其特征在于：所述热沉结构材质为铬锆铜合金、不锈钢与低活化钢。
5.根据权利要求1所述的一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，其特征在于：所述钨与所述无氧铜界面连接形式的周期性形状的高度在1-3mm，所述钨与所述无氧铜界面连接形式的周期性形状齿宽在0.2-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，其特征在于：所述无氧铜与所述热沉结构通过真空钎焊与热等静压方式制备。
7.根据权利要求1所述的一种基于钨和铜界面连接方式的防脱粘偏滤器组件，其特征在于：所述热沉结构包含冷却管流道。
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