CN108098257A - 一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于聚变反应堆技术领域，具体公开了热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，铜铬锆合金/不锈钢复合板制作HVT冷却通道上盖板，进行超声波无损探伤，机加工CuCrZr合金至形成完整的HVT齿型槽结构，HVT不锈钢水盒基座，装配HVT冷却通道上盖板和HVT不锈钢水盒基座，封闭冷却通道进出口，对HVT冷却通道基座进行水压试验和氦罩检漏，铍瓦的涂层面与HVT冷却通道基座铜铬锆合金面进行组装，有效保障了聚变堆第一壁手指部件异种材料间的可靠结合和铜铬锆合金热沉材料的性能，提升了部件HVT冷却通道的热疲劳性能、耐压性能和真空密封性能，消除了冷却通道的应力腐蚀倾向，部件整体的抗高热负荷疲劳破坏能力满足聚变堆服役条件要求。

Description

一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法

技术领域

本发明属于聚变反应堆技术领域，具体涉及一种国际热核实验堆(ITER)中的增强热负荷第一壁板加工方法。

背景技术

ITER第一壁手指部件直接面对高温核聚变等离子体，其中的增强热负荷手指部件面临4.7MW/m²表面热负荷作用。因工作在脉冲运行状态，高热负荷热疲劳是其主要的破坏形式，ITER要求该部件的热疲劳设计寿命为15000次热循环。ITER第一壁手指部件由面对等离子体的纯金属铍瓦材料、中间层铜铬锆(CuCrZr)合金热沉材料及其背面奥氏体不锈钢(ASS)结构支撑材料构成，为使材料工作在允许温度范围内，部件中布满冷却通道，其中在热沉材料与不锈钢材料之间设计了超级蒸发(HVT)冷却通道，在ITER运行时通水冷却部件，设计压力5MPa，冷却水温度70～110℃。为避免应力腐蚀，要求构成该冷却通道的不锈钢材料的硬度应小于300Hv。为实现优良的传热性能、热疲劳性能和冷却通道的耐压性能，要求三种材料间有可靠的结合，铜铬锆合金的室温屈服强度应大于175MPa，部件铜铬锆合金最高运行温度250℃下的屈服强度应大于150MPa。ITER第一壁属于真空室内部件，要求手指部件具有优良的真空密封性能，其冷却通道的氦检漏泄漏率应小于2.7x10^-10Pa.m³/s。因此，如何保障材料间的可靠结合、铜铬锆合金的强度、消除冷却通道的应力腐蚀倾向、提升部件的抗高热负荷疲劳损伤能力和确保真空密封性能是制造第一壁手指部件所面临的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，能够保障第一壁材料间的可靠结合和铜铬锆合金的性能、消除冷却通道的应力腐蚀倾向、提升部件的抗高热负荷疲劳损伤能力并确保其冷却通道的真空密封性能。

本发明的技术方案如下：

一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，该方法包括如下步骤：

1)采用铜铬锆合金/不锈钢复合板制作HVT冷却通道上盖板

a)对所述复合板进行去应力退火处理；

b)随后水冷至室温，恢复铜铬锆合金到固溶处理状态；

2)对复合板进行超声波无损探伤；

3)对UT合格的复合板，首先在模具的辅助下进行弯曲成型，随后在夹持工装的辅助下进行铣切加工；

去除复合板中部的不锈钢至无残留，然后继续加工CuCrZr合金至形成完整的HVT齿型槽结构；

4)加工HVT不锈钢水盒基座

316L(N)奥氏体不锈钢锻件，分别加工HVT不锈钢水盒和分水隔板；

在HVT不锈钢水盒基座上表面加工HVT环向凹槽，槽宽3mm，槽深3～6mm。将二者装配，以锁底焊形式进行焊接，焊接熔深3～5mm；

5)装配HVT冷却通道上盖板和HVT不锈钢水盒基座；

利用夹具加紧上述部件，并检验焊缝间隙小于0.1mm，随后采用5～6kW输入功率进行HVT水道的环缝焊接；

6)封闭冷却通道进出口，对HVT冷却通道基座进行水压试验和氦罩检漏，确保耐压能力和气密性满足要求；

7)铍瓦的涂层面与HVT冷却通道基座铜铬锆合金面进行组装，放入热等静压包套中，包套内部抽真空并夹封抽气管密封，随后进行热等静压处理；

8)机加工去除热等静压包套，尺寸满足设计要求；

9)将铍/铜铬锆合金连接界面进行超声波无损探伤。

在上述的一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法中：

所述的步骤1)中当采用HIP扩散连接方法制作铜铬锆合金/不锈钢复合板时，所用原材料铜铬锆合金板材应处于冷加工时效处理状态，HIP连接温度应在980～1040℃之间，压强100～130MPa。

在上述的一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法中：

所述冷加工时效处理工艺为，980±10℃固溶处理，保温20～30min后水冷，然后进行40～50％冷加工，最终475±5℃时效3h。

在上述的一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法中：所述的步骤1)中的去应力退火处理温度为980±10℃，时间为20～30min。

在上述的一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法中：

所述的步骤2)和步骤8)的超声波无损探伤中，采用水浸法进行全域扫查，探头频率12MHz，探伤提示的缺陷小于2mm。

在上述的一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法中：

所述的步骤7)中热等静压处理的温度为580±5℃，压强130～150MPa，时间2小时。

在上述的一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法中：

所述的步骤7)中，铍瓦为单面带中间过渡层金属Ti/Cu涂层，Ti层的厚度应在8～12μm，Cu层的厚度为35～45μm。

本发明的显著效果如下：

本发明的加工方法，有效保障了聚变堆第一壁手指部件异种材料间的可靠结合和铜铬锆合金热沉材料的性能，提升了部件HVT冷却通道的热疲劳性能、耐压性能和真空密封性能，消除了冷却通道的应力腐蚀倾向，部件整体的抗高热负荷疲劳破坏能力满足聚变堆服役条件要求。

在HVT冷却通道的不锈钢底面靠边加工环向凹槽，降低了HVT冷却通道侧边的刚度，改善了约束条件，从而将降低HVT冷却通道铜铬锆合金部位在ITER运行时的峰值应力，提升手指部件HVT冷却通道的热疲劳性能。另一方面，通过增加该环向槽，将封闭HVT通道的不锈钢环焊缝下移，在实现压力容器要求的对接焊透的同时，提供了更多的空间，焊缝与CuCrZr/ASS连接界面的距离从最长3.8mm提高到5mm以上，减轻了焊接热影响区对该双金属连接性能和铜铬锆合金性能的影响，从而更好地保障了HVT冷却通道CuCrZr/ASS连接界面和材料的可靠性，提高了真空密封性能。

采用热等静压或***焊制作CuCrZr/ASS双金属复合板，以及采用热等静压扩散连接金属铍瓦，均能实现材料间的冶金结合，确保了连接可靠性和复合体的高热负荷疲劳性能。对CuCrZr/ASS复合板进行退火处理，消除了***焊连接界面附近金属的硬化，消除了界面在部件运行中的应力腐蚀倾向；该退火还恢复铜铬锆合金到固溶处理状态，从而在后续连接铍瓦的热等静压过程中实现合金的时效强化，保障了部件铜铬锆合金的性能，有效防止了合金在服役过程中的热疲劳破坏，从而从材料性能层面保障了冷却通道在使用中的密封性能。

附图说明

图1为HVT冷却通道结构；

图2为HVT冷却通道上盖板加工示意图；

图3为HVT不锈钢水盒基座加工示意图；

图4为第一壁手指部件制造过程示意图。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，典型增强热负荷ITER第一壁手指部件HVT冷却通道是一种CuCrZr/ASS结构，通道高度为5mm，宽度为40mm，底面平直。为实现矩形冷却通道结构，需在冷却通道四周施焊将上(CuCrZr/ASS结构)下(ASS结构)两部分连接到一起。为实现对接焊以防止使用中发生焊缝应力腐蚀，HVT冷却通道的不锈钢环向焊缝只能位于通道中部附近，与CuCrZr/ASS连接界面的最大距离仅3.8mm，焊接将影响到CuCrZr/ASS的连接性能。改进后的HVT冷却通道在其不锈钢底面增加3mm宽、3～6mm深的环向凹槽，不锈钢环向焊缝可下移到凹槽顶面下方仍能实现对接焊，其距离CuCrZr/ASS连接界面的距离达到5mm以上，极大地减轻了焊接对该连接界面性能的影响。另一方面，添加该凹槽将提升HVT冷却通道结构的热疲劳性能，计算分析表面，当槽深为6mm时，HVT冷却通道上表面CuCrZr合金在ITER运行工况下所受的峰值热应力显著降低，热疲劳寿命从几千次上升到40000次，完全满足ITER第一壁的设计寿命要求。

HVT不锈钢环焊缝在焊接前应按照标准如ISO15614第1部分(弧焊)或者第11部分(激光焊或电子束焊)进行焊接工艺评定，焊接工艺评定结果应满足EN ISO 5817(弧焊)或者EN ISO 13919(激光焊或电子束焊)B级要求。所有零部件在焊接或连接前均应清洗干净，零件清洗用丙酮需符合GB/T6026-1998标准。

如图2、3、4所示，手指部件的加工步骤如下：

1)如图2所示，采用10mm/10mm厚铜铬锆合金/不锈钢复合板制作HVT冷却通道上盖板。首先对复合板进行去应力退火处理，温度980±10℃，时间20～30min，随后水冷至室温，以恢复铜铬锆合金到固溶处理状态，保证合金在随后的热加工过程中发生时效强化，达到需求的拉伸强度。

当采用HIP扩散连接方法制作铜铬锆合金/不锈钢复合板时，所用原材料铜铬锆合金板材应处于冷加工时效处理状态，其处理工艺为：980±10℃固溶处理，保温20～30min后水冷，然后进行40～50％冷加工，最终475±5℃时效3h。HIP连接温度应在980～1040℃之间，压强100～130MPa，以确保CuCrZr/ASS之间的可靠连接；

2)如图2所示，在完成去应力退火后，对复合板进行超声波无损探伤(UT)。采用水浸法进行全域扫查，探头频率12MHz，采用2mm平底孔的同材质对比试块进行灵敏度标定，合格板材界面不应有缺陷提示。

3)如图2所示，对UT合格的复合板，首先在模具的辅助下进行弯曲成型，随后在夹持工装的辅助下进行铣切加工。首先去除复合板中部的不锈钢至无残留，然后继续加工CuCrZr合金至形成完整的HVT齿型槽结构，制作完成HVT冷却通道上盖板。

4)如图3所示，在制作HVT冷却通道上盖板的同时，同步制作HVT不锈钢水盒基座。采用ITER级316L(N)奥氏体不锈钢锻件，分别加工HVT不锈钢水盒和分水隔板，在HVT不锈钢水盒基座上表面加工HVT环向凹槽，槽宽3mm，槽深3～6mm。将二者装配，以锁底焊形式进行焊接，焊接熔深3～5mm。采用激光焊接，减轻焊接变形。

5)如图4所示，装配HVT冷却通道上盖板和HVT不锈钢水盒基座，普通夹具压紧，检验焊缝间隙小于0.1mm，随后采用5～6kW输入功率进行HVT水道的环缝焊接。采用对接焊形式，焊接厚度6mm，输入功率应确保焊透，焊接时，焊缝正反面应通氩气保护，防止焊缝金属氧化，保证焊缝性能。

6)采用辅助工装及临时盖板封闭冷却通道进出口，对HVT冷却通道基座进行水压试验和氦罩检漏，确保耐压能力和气密性满足要求。水压试验压强7.15±0.2MPa，时间30min，要求无泄漏和可视永久变形，压力变化在给定的±0.2MPa范围内；氦罩检漏氦浓度应在50％以上，HVT冷却通道的漏率应低于2.7×10^-10Pa.m³/s。

7)如图4所示，将单面带中间过渡层金属Ti/Cu涂层的铍瓦的涂层面与HVT冷却通道基座铜铬锆合金面组装到一起，放入热等静压包套中，包套内部抽真空并夹封抽气管密封，随后进行热等静压处理，温度为580±5℃，压强130～150MPa，时间2小时。该参数综合考虑了各金属元素的相互扩散以形成冶金结合以及铜铬锆合金通过该过程实现时效强化以提高强度的要求，中间过渡层Ti层的厚度在10μm，以阻挡该热等静压扩散过程中铍与铜直接接触而形成脆性金属中间相物质，提高连接性能。中间过渡层Cu层的厚度40μm，在该过程中起到应力缓释和促使连接界面紧贴以实现相互间金属原子扩散的作用。

8)机加工去除热等静压包套，将手指部件加工到要求的尺寸。

9)手指部件铍/铜铬锆合金连接界面超声波无损探伤，采用水浸UT探头，频率12MHz，垂直入射界面进行扫查；直径2mm平底孔的同材质对比试块标定检测灵敏度，连接界面应无缺陷提示。

实施例1：

采用***焊CuCrZr/316L(N)复合板，970℃退火30min后水冷，机加工HVT冷却通道上盖板和HVT不锈钢水盒基座，激光焊接装配形成HVT冷却通道基座，随后与12×12×6mm³铍瓦在580℃/150MPa/2h下进行热等静压扩散连接，形成增强热负荷第一壁手指部件。本部件HVT冷却通道底面环向凹槽宽度为3mm，深度4mm；激光焊缝与CuCrZr/316L(N)连接界面的距离为5mm。手指部件冷却通道的水压试验和氦检漏结果满足要求，即7.15±0.2MPa/30min水压下无泄漏和永久变形，压降低于0.2MPa；室温氦检漏漏率低于2.7×10^-10Pa.m³/s。在ITER要求的认证试验中，经历4.7MW/m²—7500次和5.9MW/m²—1500次高热负荷疲劳试验，四个手指部件保持完好无损，达到ITER第一壁部件认证试验的验收指标要求。

采用***焊CuCrZr/316L(N)复合板跟随样，经历上述完整过程后对其连接性能和铜铬锆合金的性能进行测试，连接界面附近不锈钢的硬度从350Hv降到160Hv，满足不超过300Hv的要求，从而可消除部件在运行中的应力腐蚀倾向；铜铬锆合金在室温和250℃下的屈服强度分别高达215MPa和173MPa，满足ITER要求。

采用***焊CuCrZr/316L(N)复合板与316L(N)不锈钢基座，模拟HVT冷却通道激光焊接进行试验。试验结果表明，在远离CuCrZr/316L(N)连接界面5mm的地方实施焊接，CuCrZr/316L(N)连接界面保持完好，避免了该距离为3.8mm时焊后该界面上出现大量微观裂纹和HVT冷却通道在7.15MPa水压试验时漏水的情形，部件冷却通道的耐压性能和真空密封性能得到了充分的保障。

实施例2：

采用***焊CuCrZr/316L(N)复合板，970℃/30min退火处理，机加工HVT冷却通道上盖板和HVT不锈钢水盒基座，采用惰性气体钨极保护焊(TIG)焊接装配形成HVT冷却通道基座，随后与12×12×8mm³铍瓦在580℃/150MPa/2h下进行热等静压扩散连接，形成增强热负荷第一壁小模块，模块尺寸193×51×27mm³。本模块HVT冷却通道TIG焊缝坡口角度为40度，接厚度6mm，其与CuCrZr/316L(N)连接界面的距离为6.3mm。所制作的3个小模块水压试验和氦检漏结果满足要求，在7.15±0.2MPa/30min水压下无泄漏和永久变形，压降不超过0.13MPa；室温真空氦检漏漏率不大于1.52×10^-10Pa.m³/s。在ITER要求的认证试验中，两个模块经历4.7MW/m²—16000次高热负荷疲劳试验无破损，达到ITER第一壁部件小模块认证试验的验收指标要求。

实施例3：

采用冷加工时效态CuCrZr合金板材，其经历的处理制度为：980±10℃固溶处理，保温20min后水冷，然后进行50％冷加工，最终在475℃下时效3h后水冷。经测试，该合金在室温下的屈服强度达到403MPa。首先对该合金板材进行退火处理，温度970℃，时间30min，水冷；然后在980℃/130MPa/2h下与316L(N)板材实现热等静压复合，最后在980℃下退火1h，水冷。该复合板在经历实施例2所述的模块热加工过程后，其铜铬锆合金在室温和250℃下的屈服强度分别高达196MPa和183MPa，完全满足ITER要求；复合板的室温拉伸结合强度达到399MPa，高于铜铬锆合金的拉伸强度。按照实施例2所描述的方法，用该双金属复合板加工制作的HVT冷却通道，在7.15±0.2MPa/30min.水压下无泄漏和永久变形，压降不大于0.18MPa；室温真空氦检漏漏率不大于2×10^-10Pa.m³/s，满足要求。

Claims (7)

1.一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)采用铜铬锆合金/不锈钢复合板制作HVT冷却通道上盖板；

a)对所述复合板进行去应力退火处理；

b)随后水冷至室温，恢复铜铬锆合金到固溶处理状态；

2)对复合板进行超声波无损探伤；

3)对UT合格的复合板，首先在模具的辅助下进行弯曲成型，随后在夹持工装的辅助下进行铣切加工；

去除复合板中部的不锈钢至无残留，然后继续加工CuCrZr合金至形成完整的HVT齿型槽结构；

4)加工HVT不锈钢水盒基座

316L(N)奥氏体不锈钢锻件，分别加工HVT不锈钢水盒和分水隔板；

在HVT不锈钢水盒基座上表面加工HVT环向凹槽，槽宽3mm，槽深3～6mm，将二者装配，以锁底焊形式进行焊接，焊接熔深3～5mm；

5)装配HVT冷却通道上盖板和HVT不锈钢水盒基座；

利用夹具加紧上述部件，并检验焊缝间隙小于0.1mm，随后采用5～6kW输入功率进行HVT水道的环缝焊接；

6)封闭冷却通道进出口，对HVT冷却通道基座进行水压试验和氦罩检漏，确保耐压能力和气密性满足要求；

7)铍瓦的涂层面与HVT冷却通道基座铜铬锆合金面进行组装，放入热等静压包套中，包套内部抽真空并夹封抽气管密封，随后进行热等静压处理；

8)机加工去除热等静压包套，尺寸满足设计要求；

9)将铍/铜铬锆合金连接界面进行超声波无损探伤。

2.如权利要求1所述的热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，其特征在于：

所述的步骤1)中当采用HIP扩散连接方法制作铜铬锆合金/不锈钢复合板时，所用原材料铜铬锆合金板材应处于冷加工时效处理状态，HIP连接温度应在980～1040℃之间，压强100～130MPa。

3.如权利要求2所述的热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，其特征在于：

所述冷加工时效处理工艺为，980±10℃固溶处理，保温20～30min后水冷，然后进行40～50％冷加工，最终475±5℃时效3h。

4.如权利要求1所述的热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，其特征在于：所述的步骤1)中的去应力退火处理温度为980±10℃，时间为20～30min。

5.如权利要求1所述的热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，其特征在于：

所述的步骤2)和步骤8)的超声波无损探伤中，采用水浸法进行全域扫查，探头频率12MHz，探伤提示的缺陷小于2mm。

6.如权利要求1所述的热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，其特征在于：所述的步骤7)中热等静压处理的温度为580±5℃，压强130～150MPa，时间2小时。

7.如权利要求1所述的热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，其特征在于：

所述的步骤7)中，铍瓦为单面带中间过渡层金属Ti/Cu涂层，Ti层的厚度应在8～12μm，Cu层的厚度为35～45μm。