CN117900491A - 聚变堆钨铜部件及其选择性激光熔化成形制造工艺 - Google Patents

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范小松
苏玉东
王锐
刘志宏
马建国
吉海标
张涛涛
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Huainan New Energy Research Center
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Huainan New Energy Research Center
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    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

Abstract

本发明涉及反应堆部件制备技术领域,公开了一种聚变堆钨铜部件及其选择性激光熔化成形制造工艺,包括:面向等离子体材料层,其包括钨片;热沉材料层,其包括块状CuCrZr;以及应力缓释层,其设置于面向等离子体材料层和热沉材料层之间,应力缓释层包括按照钨铜含量梯度排列的多层合金混合材料。梯度设计的应力缓释层替代现有工艺中的无氧铜应力缓释层,使得采用钨为主材料的面向等离子体材料层与CuCrZr热沉材料层之间的应力更加均匀,避免了变形与应力在钨铜连接面内集中,从而实现分散并降低最大热应力的目的,达到提供部件承受循环高热负荷次数的能力,提高了聚变堆钨铜部件的使用寿命。

Description

聚变堆钨铜部件及其选择性激光熔化成形制造工艺
技术领域
本发明涉及反应堆部件制备技术领域,特别是涉及一种聚变堆钨铜部件及其选择性激光熔化成形制造工艺。
背景技术
目前,聚变堆钨铜部件服役过程中需要承受严苛的高热/粒子流作用,综合材料的各项属性,钨和CuCrZr分别被选用为面向等离子体材料和热沉材料。
聚变堆钨铜部件现有的连接工艺为:熔铸法+热等静压扩散焊接。首先将高纯铜熔化,并将钨块包裹;接着通过机械加工,将多余无氧铜加工掉,保留需要的应力缓释层;然后将带应力缓释层的钨片与块状CuCrZr热沉固定并放入包套中,通过热等静压设备施加高温高压,使得接触面相贴合并发生原子间扩散,最终实现连接。
面向等离子体材料W和热沉材料CuCrZr合金之间的热膨胀系数相差接近4倍,且CuCrZr强度较高,在W/Cu面向等离子体部件在制备和服役过程中,热应力非常大。为了降低面向等离子体材料W与CuCrZr热沉之间的热应力,增加无氧纯铜作为应力缓释层。在向等离子体部件承受循环高热负荷时,这种热应力的往复循环(伴随等离子体放电引起的升降温)会导致钨片、无氧铜应力缓释层、CuCrZr热沉均因高温而发生膨胀,但膨胀比率不同,导致连接界面存在较大热应力,极易造成W块的内应力损伤,以及W/CuCrZr连接界面的热应力疲劳损伤,甚至出现W块脱落的现象。
发明内容
本发明的目的是:提供一种聚变堆钨铜部件及其选择性激光熔化成形制造工艺,避免了变形与应力在钨铜连接面内集中,从而实现分散并降低最大热应力的目的,达到提供部件承受循环高热负荷次数的能力,提高了聚变堆钨铜部件的使用寿命。
为了实现上述目的,本发明提供了一种聚变堆钨铜部件,包括:
面向等离子体材料层,其包括钨片;
热沉材料层,其包括块状CuCrZr;以及
应力缓释层,其设置于所述面向等离子体材料层和所述热沉材料层之间,所述应力缓释层包括按照钨铜含量梯度排列的多层合金混合材料。
本发明实施例一种聚变堆钨铜部件与现有技术相比,其有益效果在于:在热沉材料层和面向等离子体材料层之间设置钨铜含量按梯度分布的应力缓释层,梯度设计的应力缓释层替代现有工艺中的无氧铜应力缓释层,使得采用钨为主材料的面向等离子体材料层与CuCrZr热沉材料层之间的应力更加均匀,避免了变形与应力在钨铜连接面内集中,从而实现分散并降低最大热应力的目的,达到提供部件承受循环高热负荷次数的能力,提高了聚变堆钨铜部件的使用寿命。
本发明实施例的聚变堆钨铜部件,所述应力缓释层包括至少四层钨铜混合层,所述应力缓释层包括按照钨铜含量梯度排行的第一混合层、第二混合层、第三混合层和第四混合层。
本发明实施例的聚变堆钨铜部件,
所述第一混合层包括20%的钨和80%的铜;
所述第二混合层包括40%的钨和60%的铜;
所述第三混合层包括60%的钨和40%的铜;
所述第四混合层包括80%的钨和20%的铜。
本发明实施例的聚变堆钨铜部件,所述应力缓释层通过选择性激光加工熔化成型于所述面向等离子体材料层。
本发明实施例的聚变堆钨铜部件,所述热沉材料层通过热等静压设备连接于所述热沉材料层。
本发明实施例的聚变堆钨铜部件,所述热沉材料层开设有通孔用以通入冷却介质。
本发明还提供了一种选择性激光熔化成形制造工艺,用于制备上述实施例任一项所述的聚变堆钨铜部件,其特征在于,包括以下步骤:
在钨片上铺设铜材料,通过选择性激光熔化工艺构造应力缓释层;
通过机械加工,对应力缓释层表面抛光;
通过机械加工,将钨片及应力缓释层进行加工至需要尺寸;
在高温高压环境中进行应力缓释层和热沉材料层进行加工,实现应力缓释层和热沉材料层之间的连接。
本发明实施例一种选择性激光熔化成形制造工艺与现有技术相比,其有益效果在于:采用选择性激光熔化工艺构造应力缓释层,可得到由多层钨铜含量按照梯度排布的应力缓释层,选择性激光熔化工艺可使梯度设计的应力缓释层分层精确,避免了变形与应力在钨铜连接面内集中,从而实现分散并降低最大热应力的目的,达到提供部件承受循环高热负荷次数的能力,提高了聚变堆钨铜部件的使用寿命。
本发明实施例的选择性激光熔化成形制造工艺,通过选择性激光熔化工艺构造应力缓释层包括通过激光逐层扫描实现钨铜梯度型分布的应力缓释层。
本发明实施例的选择性激光熔化成形制造工艺,所述应力缓释层的厚度大于2mm,所述应力缓释层内每层不同梯度的厚度大于0.5mm。
本发明实施例的选择性激光熔化成形制造工艺,所述高温高压环境通过热等静压设备提供。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例的聚变堆钨铜部件的结构示意图;
图中,1、面向等离子体材料层;2、热沉材料层;21、通孔;3、应力缓释层;31、第一混合层;32、第二混合层;33、第三混合层;34、第四混合层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,涉及到方位描述,例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,若干的含义是一个或者多个,多个的含义是两个以上,大于、小于、超过等理解为不包括本数,以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中,除非另有明确的限定,设置、安装、连接等词语应做广义理解,所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示,本发明优选实施例的一种聚变堆钨铜部件,包括面向等离子体材料层1、热沉材料层2和应力缓释层3,面向等离子体材料层1包括钨片等导热金属;热沉材料层2包括块状CuCrZr等导热材料,将面向等离子体材料层1传递的热量导出;应力缓释层3设置于面向等离子体材料层1和热沉材料层2之间,用于面向等离子体材料层1和热沉材料层2连接在一起并在二者之间传导热量,应力缓释层3包括按照钨铜含量梯度排列的多层合金混合材料。
在热沉材料层2和面向等离子体材料层1之间设置钨铜含量按梯度分布的应力缓释层3,梯度设计的应力缓释层3替代现有工艺中的无氧铜应力缓释层3,使得采用钨为主材料的面向等离子体材料层1与CuCrZr热沉材料层2之间的应力更加均匀,避免了变形与应力在钨铜连接面内集中,从而实现分散并降低最大热应力的目的,达到提供部件承受循环高热负荷次数的能力,提高了聚变堆钨铜部件的使用寿命。
在本发明的一些实施例中,所述应力缓释层3包括至少四层钨铜含量不同的钨铜混合层,所述应力缓释层3包括按照钨铜含量梯度排行的第一混合层31、第二混合层32、第三混合层33和第四混合层34。
在本发明的一些实施例中,
所述第一混合层31包括20%的钨和80%的铜;
所述第二混合层32包括40%的钨和60%的铜;
所述第三混合层33包括60%的钨和40%的铜;
所述第四混合层34包括80%的钨和20%的铜。
采用上述梯度分布的应力缓释层3钨铜含量分布均匀,其内部膨胀时的应力分布也较为均匀,避免了变形与应力在钨铜连接面内集中,提高了聚变堆钨铜部件的使用寿命。
可以理解的是,应力缓释层3的层数、应力缓释层3中每层的钨铜比例可以根据需要作出不同选择。
在本发明的一些实施例中,所述应力缓释层3包括按照钨铜含量梯度排行的第一混合层31、第二混合层32、第三混合层33、第四混合层34和第五缓释层(为在图中示出),其中
所述第一混合层31包括10%的钨和90%的铜;
所述第二混合层32包括30%的钨和70%的铜;
所述第三混合层33包括50%的钨和50%的铜;
所述第四混合层34包括70%的钨和30%的铜;
所述第五混合层包括90%的钨和10%的铜。
在本发明的一些实施例中,所述应力缓释层3通过选择性激光加工熔化成型于所述面向等离子体材料层1,选择性激光加工熔化成型是利用金属粉末在激光束的热作用下快速熔化、快速凝固的一种技术,使钨片表面的铜粉完全熔化,不需要黏结剂而直接成型,成型后零件的精度和力学性能较高。
在本发明的一些实施例中,所述热沉材料层2通过热等静压设备连接于所述热沉材料层2,热等静压设备包括热等静压机等,热等静压设备营造出高温高压的以惰性气体为主的环境,而在高温高压的共同作用下,聚变堆钨铜部件各向均衡受压,加工完成的聚变堆钨铜部件致密度高、均匀性好、性能优异。
在本发明的一些实施例中,所述热沉材料层2开设有通孔21用以通入冷却介质,用于在聚变堆钨铜部件在使用过程中的散热。
本发明优选实施例的一种选择性激光熔化成形制造工艺,用于制备上述实施例任一项所述的聚变堆钨铜部件,其特征在于,包括以下步骤:
S1、在钨片上铺设铜材料,通过选择性激光熔化工艺构造应力缓释层3;
S2、通过机械加工,对应力缓释层3表面抛光;
S3、通过机械加工,将钨片及应力缓释层3进行加工至需要尺寸;
S4、在高温高压环境中进行应力缓释层3和热沉材料层2进行加工,实现应力缓释层3和热沉材料层2之间的连接。
采用选择性激光熔化工艺构造应力缓释层3,可得到由多层钨铜含量按照梯度排布的应力缓释层3,选择性激光熔化工艺可使梯度设计的应力缓释层3分层精确,避免了变形与应力在钨铜连接面内集中,从而实现分散并降低最大热应力的目的,达到提供部件承受循环高热负荷次数的能力,提高了聚变堆钨铜部件的使用寿命。
在本发明的一些实施例中的选择性激光熔化成形制造工艺,通过选择性激光熔化工艺构造应力缓释层3包括通过激光逐层扫描实现钨铜梯度型分布的应力缓释层3,不需要黏结剂而直接成型,成型后零件的精度和力学性能较高。
在本发明的一些实施例中的选择性激光熔化成形制造工艺,对应力缓释层3表面抛光,可使其适合后续热等静压扩散焊工艺。
在本发明的一些实施例中的选择性激光熔化成形制造工艺,将钨片及应力缓释层3进行加工至需要尺寸主要包括对钨片及梯度状应力缓释层3进行长度和宽方向进行加工,使其与热沉材料层2的尺寸相配合,便于后续的热等静压扩散焊工艺。
在本发明的一些实施例中的选择性激光熔化成形制造工艺,所述应力缓释层3的厚度大于2mm,使热量可顺利由面向等离子体材料层1传递至热沉材料层2;优选地,应力缓释层3的厚度为2mm或2.5mm。
所述应力缓释层3内每层不同梯度的厚度大于0.5mm,防止单层应力过于集中,便于其向外膨胀和传递热量。
在本发明的一些实施例中的选择性激光熔化成形制造工艺,所述高温高压环境通过热等静压设备提供,热等静压设备营造出高温高压的以惰性气体为主的环境,而在高温高压的共同作用下,聚变堆钨铜部件各向均衡受压,加工完成的聚变堆钨铜部件致密度高、均匀性好、性能优异。
本发明的优选制备过程为:
S01、在钨片上铺设铜材料,通过选择性激光熔化工艺构造多层钨铜含量按照梯度排布的应力缓释层3;
S02、通过机械加工,对选择性激光熔化成形工艺构造的2mm厚的钨铜应力缓释层3表面抛光;
S03、通过机械加工,将钨片及应力缓释层3进行长度和宽方向进行加工;
S04、通过热等静压设备提供的高温高压环境,进行应力缓释层3和热沉材料层2进行加工,实现应力缓释层3和热沉材料层2之间的连接。
综上,本发明实施例提供一种聚变堆钨铜部件及其选择性激光熔化成形制造工艺,其避免了变形与应力在钨铜连接面内集中,从而实现分散并降低最大热应力的目的,达到提供部件承受循环高热负荷次数的能力,提高了聚变堆钨铜部件的使用寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种聚变堆钨铜部件,其特征在于,包括:
面向等离子体材料层,其包括钨片;
热沉材料层,其包括块状CuCrZr;以及
应力缓释层,其设置于所述面向等离子体材料层和所述热沉材料层之间,所述应力缓释层包括按照钨铜含量梯度排列的多层合金混合材料。
2.根据权利要求1所述的聚变堆钨铜部件,其特征在于:所述应力缓释层包括至少四层钨铜混合层,所述应力缓释层包括按照钨铜含量梯度排行的第一混合层、第二混合层、第三混合层和第四混合层。
3.根据权利要求2所述的聚变堆钨铜部件,其特征在于:
所述第一混合层包括20%的钨和80%的铜;
所述第二混合层包括40%的钨和60%的铜;
所述第三混合层包括60%的钨和40%的铜;
所述第四混合层包括80%的钨和20%的铜。
4.根据权利要求1所述的聚变堆钨铜部件,其特征在于:所述应力缓释层通过选择性激光加工熔化成型于所述面向等离子体材料层。
5.根据权利要求1所述的聚变堆钨铜部件,其特征在于:所述热沉材料层通过热等静压设备连接于所述热沉材料层。
6.根据权利要求1所述的聚变堆钨铜部件,其特征在于:所述热沉材料层开设有通孔用以通入冷却介质。
7.一种选择性激光熔化成形制造工艺,用于制备权利要求1-6任一项所述的聚变堆钨铜部件,其特征在于,包括以下步骤:
在钨片上铺设铜材料,通过选择性激光熔化工艺构造应力缓释层;
通过机械加工,对应力缓释层表面抛光;
通过机械加工,将钨片及应力缓释层进行加工至需要尺寸;
在高温高压环境中进行应力缓释层和热沉材料层进行加工,实现应力缓释层和热沉材料层之间的连接。
8.根据权利要求7所述的选择性激光熔化成形制造工艺,其特征在于:通过选择性激光熔化工艺构造应力缓释层包括通过激光逐层扫描实现钨铜梯度型分布的应力缓释层。
9.根据权利要求8所述的选择性激光熔化成形制造工艺,其特征在于:所述应力缓释层的厚度大于2mm,所述应力缓释层内每层不同梯度的厚度大于0.5mm。
10.根据权利要求7所述的选择性激光熔化成形制造工艺,其特征在于:所述高温高压环境通过热等静压设备提供。
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