CN1538462A - 聚变反应堆的层状构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种聚变反应堆的高耐热层状构件(1)，其至少包括由钨和钨合金制成的面向等离子区(2)，由铜或铜合金制成的并且平均颗粒尺寸为100μm以上的散热区(4)以及由难熔金属—铜复合材料制成的中间层(3)，其中难熔金属—铜复合材料具有铜和难熔金属的宏观均匀的浓度梯度，并且在其整个厚度上难熔金属的含量x为10体积％＜x＜40体积％。

Description

聚变反应堆的层状构件
技术领域
本发明涉及聚变反应堆的高耐热层状构件，其至少包括由钨或钨含量＞90重量％的钨合金制成的面向等离子区、由导热率＞250W/mK且平均颗粒尺寸＞100μm的铜或铜合金制成的散热区以及位于二者之间的、由难熔金属-铜复合材料构成的区域。
背景技术
对于固定聚变反应堆(stationary fusion reactor)的运行，期望第一壁构件(也称为PFC，面向等离子构件plasma facing component)表面区域的功率达到10MW/m2。当发生等离子破坏时，可以在几毫秒内在某些点上释放出大约20GJ。为在最大能量聚集区域使用而特殊设计的PFC，例如分流器(diverter)、挡板和限制区，其发展反映了聚变研究结果的技术实施的关键因素。
可以应用于PFC的材料有多种不同类型，并且常常是互相矛盾的。除了物理和力学性能以外，例如高的导热率、高的熔点、低的蒸气压、好的耐热冲击性以及适于加工性，在核聚变中应用有特殊的要求，包括在大量中子照射下的低的放射活化和嬗变、低的连续氚吸收、低的等离子体离子和中子粒子侵蚀、低的溅射率以及诸如电弧、过热点和低的堆芯等离子冷却等局部作用引起的腐蚀，以及通过标识辐射的低的堆芯等离子冷却。
根据具体的载荷条件，PFC的优选材料是铍、碳纤维增强的碳(CFC)以及钨。钨特别适合用作第一壁，在此处具有较低的等离子体温度和高的粒子密度。钨具有非常好的热性能，例如高的导热率(室温下165W/mK)。并且，其高的熔点、低的氚吸收性、低的真空放气率和低的溅射率，本质上决定了钨在PFC中的应用。为了达到极高能量密度区的有效散热，必须有效地冷却PFC。这可以通过充满循环冷却液的铜构件来帮助实现，铜构件与钨构件结合在一起形成热沉材料。为了达到足够高机械稳定性和刚性，将铜热沉材料与高刚性的金属结构材料接合在一起是有优势的。奥氏体不锈钢和颗粒增强的铜合金，例如时效硬化的Cr-Zr合金化铜合金(Cu-Cr-Zr)或ODS(氧化物弥散强化的)铜材料(如Cu-Al2O3，Cu-ZrO2，Cu-Y2O3，Cu-稀土氧化物)，适合于这类增强零件。对于高能量密度区域内使用的PFC，考虑了两个设计变量。在所谓的平铺瓦片结构中，各个材料之间的过渡几乎是均匀的。在单块结构中，充满循环冷却液的管提供了足够的结构稳定性和刚性，管可以由，例如，时效硬化的铜合金或ODS铜制成。朝向外侧的是，其它材料以比得上平铺瓦片结构的结构排列。钨块是立方体形，环绕着冷却管，在冷却管与钨块之间放置由软的、塑性材料，优选的是低氧含量的纯铜(OFHC铜)，构成的缓冲层。
在聚变反应堆用的层状零件，例如平铺瓦片结构或单块状构件的生产中，所遇到的特殊的困难是，钨和铜表现出非常不同的热膨胀行为。钨的热膨胀系数在室温下是4.5×10-6K-1，而铜是16.6×10-6K-1。
推荐用于钨与铜结合的技术包括扩散焊接和后铸造。扩散焊接可以利用等热静压(HIP)完成，如EP1 025 938中所描述的。上述的工艺是在约700到1300℃的温度范围内进行的。在冷却过程中，由于钨和铜的热膨胀系数不同，导致在接头附近产生应力。但是，在PFC使用过程中，当它们应用在循环热负荷下时，也产生应力。这些应力能导致钨和铜的界面处产生裂纹或分离。这将阻碍散热，从而产生层状构件将会熔化的危险。广泛的开发项目已经启动了，其中的一些已经结束了，其目的就是获得由面向等离子的钨块形态匹配地与有效冷却的铜热沉材料结合而成的层状构件，其中界面区的结合应力低。
达到应力的明显降低是通过将钨块设计为其边长或直径为几毫米的单独的小立方体或棒的组，从而将立方体或棒插入铜块中。这种分割形式减小了结合过程和循环使用过程中产生的热应力。但是，此设计也造成钨铜界面中疲劳裂纹产生的高危险性。
通过在钨和铜块之间放置梯度中间层减小界面中的张力，也已经进行了大量努力。例如，USP 5,126,106描述了一种制造钨-铜FGM(梯度功能材料)的方法，其中钨块具有梯度的孔隙，例如通过等离子热喷涂制造，然后渗入铜。
USP 5,988,488也描述了一种制造方法，其中使用等离子热喷涂获得钨与铜块之间的梯度中间层。与USP 5,126,106相比，铜相也是通过等离子热喷涂形成的，其中加入的特殊粉末混合物中含有相应比例的钨和铜。钨与FGM之间的一层薄的金属膜促进了结合。
USP 5,988,488中也描述了通过铜焊或扩散焊接在钨和铜热材料之间插入一层由铜和钨混合而成的层。但是，热膨胀系数方面的差异太大。此专利中没有提供更详细的解释。
虽然可以假定，USP 5,126,106和USP 5,988,488中描述的制造工艺制造的层状零件，表现出对热诱导裂纹的产生有很高的抵抗性。但是，这些专利中描述的工艺的缺点在于，它们是复杂的，相应地以所述方式制造的零件非常贵。并且，由于工艺的工程技术限制，上面所述的技术仅能应用于平铺瓦片状结构。一般地，出于几何上的原因，它们应用于制造单块形状的零件是不可能的。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚变反应堆的层状构件，其包括至少一部分钨或钨合金以及铜或铜合金，表现出足够的功能能力，特别是在热疲劳方面，并且能在有效降低成本下生产，适用于单块形状构件。
上述目的的达到是通过难熔金属-铜复合材料表现出宏观均匀的铜和钨的含量过渡，以及在厚度d为0.1mm＜d＜4mm的整个范围内难熔金属的含量x为10体积％＜x＜40体积％，从而使难熔金属相形成几乎连续的骨架。
难熔金属-铜构件应用于很多工业领域，例如电子封装用的热沉材料或散热材料。难熔金属是周期表中IVb和Vb族的元素，其熔点超过1800℃，特别是金属Nb、Ta、Cr、Mo和W。
在本领域广泛传播的概念是，聚变反应堆的钨-铜层状构件中的应力仅能通过使用FGM减小。此此相反，通过实验令人惊奇地表明，由具有宏观均匀的铜-难熔金属浓度梯度的难熔金属-铜材料制成的中间层，也能有效地使用。宏观均匀的浓度梯度的定义为，在难熔金属-铜复合材料的整个厚度上，不考虑浓度的微观差异的浓度梯度。浓度的微观差异总是存在于难熔金属-铜复合材料中，因为难熔金属和铜是彼此互不相溶的，或者仅在很小的程度上是互溶的。因此，在尺寸5到50μm范围内能发现铜和难熔金属相区域的下一个区域。
仅当由难熔金属-铜复合材料构成的层的厚度至少0.1mm时，才能达到有效减小界面区的应力。较薄的层不能充分地减小应力。而厚度为4mm以及大于4mm时，在抵抗分离和热诱导疲劳裂纹方面，不削弱层状零件的功能能力，但由于难熔金属-铜复合材料的导热率较低，使散热性减小到不再保证层状零件功能可靠性的程度。
获得足够的功能能力的再一个先决条件是，难熔金属-铜复合材料中的难熔金属含量必须在10～40体积％。更高或更低的难熔金属含量都不能充分保证工艺稳定性。并且，难熔金属-铜复合材料必须以如下方式生产，即难熔金属相形成几乎连续的骨架。
使用粉末冶金工艺，例如多孔难熔金属体熔渗铜，制造的难熔金属-铜复合材料能满足这种需要。多孔难熔金属体可以是成形的或烧结的物体。具有几乎连续的骨架的难熔金属-铜复合材料也可以通过压制混合粉末或复合粉末并且烧结来制造。除了以这种方式制造的W-Cu和Mo-Cu复合材料以外，使用轧制或挤压的Mo-Cu复合材料也有特别的优点。并且，铜或铜合金块必须能充分地降低热引起的应力。假设选择的标准为“导热率＞250W/mK”，则仅能使用合金元素含量低以及相应地屈服强度低的铜材料。另外，铜或铜合金块必须具有大于100μm的平均颗粒尺寸，以便保证有效降低应力。使用OFHC(无氧高导电率)铜，通过将其后铸造成难熔金属-铜复合材料而结合铜或铜合金，已证明具有大的优势。这个工艺能保证铜/铜合金块的平均颗粒尺寸总是大于100μm。通过熔化铜相将钨/钨合金块结合到难熔金属-铜复合材料块上，可以在同一工艺过程中完成。将厚度在0.005～0.5mm之间的铜箔或铜片插入钨与难熔金属-铜复合材料之间，是有优势的。为了提高钨与铜之间的结合，例如，通过涂覆钨基体引入金属元素或合金，也是有优势的，所述金属元素或合金在钨和铜中都溶解或者与这两种元素反应。铁族金属的元素或合金，例如镍，适合这个目的。
适于作面向等离子块的钨材包括单晶钨、纯钨、AKS(铝-钾-硅掺杂的)钨、UHP(超高纯净)钨、纳米晶钨、非晶钨、ODS(氧化物弥散强化的)钨、W-Re、ODS-W-Re，以及碳化物、氮化物或硼化物沉淀硬化的钨合金，优选的是碳化物、氮化物或硼化物的含量为0.05～1体积％。分割钨/钨合金构件是有优势的。由于钨构件中的裂纹扩展速率在变形方向比在垂直于变形方向明显高，因此制造钨零件时使变形方向垂直于面向等离子的表面，由此得到的零件应用于高应力水平下是合理的。
为了达到足够的结构稳定性和刚性，将强度超过300MPa的金属材料制成的构件结合到铜块上。特别适合的金属材料包括时效硬化(age-hardened)的Cu-Cr-Zr和ODS-Cu材料以及不锈钢。最适合的结合方法的选择取决于配对材料的类型。铜-铜或铜-钢配对最好使用硬钎焊或者诸如等热静压的扩散结合技术进行结合。适于铜-铜配对的还有熔化焊接方法，如高能电子束焊接。
附图说明。
图1表示实施例1所述的制造成平铺瓦片状的分流器构件；
图2表示实施例1和2所述的材料顺序的剖视图；
图3表示实施例1所述的后铸造之后机械处理的中间产品；
图4表示实施例2所述的制造成单块状的分流器构件；以及
图5表示与Cu-Cr-Zr管结合之前的、实施例2所述的制造成单块状的分流器构件。
具体实施方式
下面的实施例描述平铺瓦片状或单块状层状构件的制造。
实施例1：
聚变反应堆的分流器板1制造成平铺瓦片(见图1)。在第一步中，从直径60mm的钨棒上切下20×40×6.5mm的钨片2。从钨棒上切割钨片的方式是，片的高度(6.5mm)平行于棒的轴线)。这样，颗粒对齐以后的主热流方向。然后，从铜含量为15重量％的钨-铜复合材料(记为T750)制成的板上切下中间片3，其厚度为2mm，宽度为20mm，长度为40mm。
在合适的铸造系统中，将钨片2、0.1mm厚的OHFC铜箔、T750中间片3和20×40×10mm的OFHC铜块4堆积起来。接着，在惰性气体炉中在氢气气氛下于1250℃用OHFC铜将此堆层进行后铸造。在此温度下保持30min，保证熔化的铜充分覆盖结构的所有固体部分。
将后铸造的堆层从后铸造系统中取出后，对堆层的所有侧面进行切削。在此过程中，将后铸造的铜切削到剩余厚度为2mm(见图3)。为了去除不需要的铜沉积，也在所有侧面对其它表面进行切削。
对从平行样品的接合区取出的试样进行超声波检测和金相观察后表明，一旦温度降至铜熔点以下，则在冷却阶段在整个堆层中形成固相材料结合。
使用EP 1 025.938中描述的方法，将上述后铸造过程中制造的层状片与Cu-Cr-Zr热沉材料5接合在一起，其中冷却结构7在从HIP系统中取出后机械地工作。构件中的材料顺序示意性地表示在图2中。
实施例2：
图4中所示的分流器板1是以类似的工艺制造成单块的结构。在30×20×10mm的钨块2的中心加工长10mm、直径15.2mm的通道。
外径15mm、壁厚1mm和长度10mm的环3，是由铜含量为20％(重量百分数)的钨-铜复合材料(记为T800)的板制成的。
将厚度为0.1mm的OHFC铜箔、由T800制成的环3以及直径13mm、长15mm的OFHC铜棒，插入钨块中加工出的通道中，其中的材料顺序如图2所示。接着，在惰性气体炉中在氢气气氛下于1250℃用OFHC铜对孔片进行后铸造，并在此温度下保持30min。取出后铸的单块后，在后铸造的铜中打出与钨块中的孔同心的、直径12mm的孔。在此加工阶段结束后，层状的块在孔内具有厚度0.50mm的OFHC铜层4(见图5)。将以这种方式制造的构件在HIP工艺中与外径12mm的Cu-Cr-Zr管5接合。从HIP系统中取出后，将冷却结构7机械地装入。随后的超声波检测和金相分析表明，以这种方式制造的层状构件的各部分完美地结合在一起。

Claims (14)

1.一种聚变反应堆用的、高度耐热的层状构件(1)，其至少包括由钨或钨含量＞90重量％的钨合金制成的面向等离子区(2)，由导热率＞250W/mK且平均颗粒尺寸＞100μm的铜或铜合金制成的散热区(4)，以及位于二者之间的、由难熔金属-铜复合材料制成的区域(3)，其特征在于：难熔金属-铜复合材料具有铜和钨的宏观均匀的浓度梯度，并且在厚度d为0.1mm＜d＜4mm的整个厚度范围内难熔金属的含量x为10体积％＜x＜40体积％，从而使难熔金属相形成几乎连续的骨架。
2.如权利要求1所述的聚变反应堆用的、高度耐热的层状构件(1)，其特征在于：将由室温下的强度＞300MPa的金属材料制成的部件(5)结合到由铜或铜合金制成的区域(4)上。
3.如权利要求2所述的聚变反应堆用的、高度耐热的层状构件(1)，其特征在于：部件(5)由Cu-Cr-Zr合金制成。
4.如权利要求2所述的聚变反应堆用的、高度耐热的层状构件(1)，其特征在于：部件(5)由奥氏体钢制成。
5.如权利要求1至4中任一项所述的聚变反应堆用的、高度耐热的层状构件(1)，其特征在于：区域(3)由利用粉末冶金工艺制造的难熔金属-铜复合材料制成。
6.如权利要求5所述的聚变反应堆用的、高度耐热的层状构件(1)，其特征在于：难熔金属-铜复合材料包括钨和10～40体积％的铜。
7.如权利要求5所述的聚变反应堆用的、高度耐热的层状构件(1)，其特征在于：难熔金属-铜复合材料包括钼和10～40体积％的铜。
8.如权利要求1至7中任一项所述的聚变反应堆用的、高度耐热的层状构件(1)，其特征在于：面向等离子区(2)是分片结构的钨或钨合金。
9.如权利要求1至8中任一项所述的聚变反应堆用的、高度耐热的层状构件(1)，其特征在于：构件(1)是平铺瓦片状。
10.如权利要求1到8任一项所述的聚变反应堆用的、高度耐热的层状构件(1)，其特征在于：构件(1)是单块状。
11.一种制造如权利要求9所述的高度耐热的层状构件(1)的方法，其特征在于：将一个或多个由钨或钨合金制成的成形的部件(2)，在适合的温度下以及在诸如石墨的防腐蚀模具中，在真空或惰性气体气氛下，与一个或多个由难熔金属-铜复合材料制成并设计成板状的成形的部件(3)结合，再通过熔化含铜的组分将其接合到由铜或铜合金制成的区域(4)，然后冷却到室温，此后，经过机械加工后，通过焊接、钎焊、扩散或电镀工艺，将以这种方式加工的构件形状匹配地与强度＞300MPa的金属部件(5)结合。
12.一种制造如权利要求10所述的高度耐热的层状构件(1)的方法，其特征在于：将一个或多个由具有孔的钨或钨合金制成的成形的部件(2)，在适合的温度下以及在诸如石墨的防腐蚀模具中，在真空或非氧化的惰性气体气氛下，与一个或多个由难熔金属-铜复合材料制成的环形的部件(3)结合，再通过熔化含铜的组分将其接合到由铜或铜合金制成的区域(4)，然后冷却到室温，此后，经过机械加工后，通过焊接、钎焊、扩散或电镀工艺，将以这种方式加工的构件形状匹配地与强度＞300MPa的金属部件(5)结合。
13.如权利要求11或12所述的制造层状构件(1)的方法，其特征在于：将厚度为0.005～0.5mm的铜或铜合金箔/片(6)放入由钨或钨合金制成的成形的部件(2)与由难熔金属-铜复合材料制成的成形的部件(3)之间。
14.如权利要求11至13中任一项所述的制造层状构件(1)的方法，其特征在于：将一层由铁族金属元素或合金，优选地是镍，制成的层应用到由钨或钨合金制成的成形的部件(2)、由难熔金属-铜复合材料制成的成形的部件(3)和/或由铜或铜合金制成的箔/片(6)的结合表面。
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