專利名稱：一種適用于聚變堆包層含流道部件的制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用聚變堆包層中含流道部件的制造工藝方法。
技術(shù)背景聚變堆包層是聚變堆中核心部件之一，主要功能是將聚變粒子(中子及oc離子)能量轉(zhuǎn)換為可利用能量同時(shí)增殖氚以維持聚變反應(yīng)。聚變堆包層最接近聚變等離子 體，環(huán)境嚴(yán)酷，其高溫、強(qiáng)中子輻照以及復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境等對(duì)結(jié)構(gòu)材料及包層的研制工作提出了巨大的挑戰(zhàn)。低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM鋼)擁有較高的熱導(dǎo)率、 較好的抗輻照腫脹等優(yōu)越特性，并具有較為成熟的工業(yè)基礎(chǔ)，成為未來聚變示范堆 和第一座商用聚變電站的首選包層結(jié)構(gòu)材料。聚變堆包層制造技術(shù)是聚變堆技術(shù)發(fā)展的核心之一。其中包層第一壁直接面向 高溫等離子體，其服^殳條件極為哿刻承受高能(14MeV)高通量聚變中子輻照、來 自等離子體的a離子高密度能量沉積、增殖劑及冷卻介質(zhì)的腐蝕等，這對(duì)第一壁的 性能提出了極高的要求。而且根據(jù)需要第一壁(例如附圖1所示)及冷卻板的設(shè)計(jì) 中含有多組矩形或者圓形冷卻劑流道，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。用常規(guī)的加工方法無法制造出精 度及性能均能符合要求的含流道部件，例如采用鑄造方法雖然可以制造出該形狀的 部件，但是鑄造中難以克服的偏析、縮孔以及鑄造部件內(nèi)部結(jié)晶組織無法滿足在如 此哿刻條件下的服役要求；假如采用常規(guī)熔化焊接方法制備第一壁會(huì)有非常長(zhǎng)的焊 縫，質(zhì)量難以控制，而且焊縫處的性能與基材性能有較大差異，很難滿足第一壁哿 刻環(huán)境的運(yùn)行需求。發(fā)明內(nèi)容為克服熔化焊接以及鑄造等方法的缺點(diǎn)，本方法提供一種熱等靜壓擴(kuò)散焊接法 制造聚變堆包層第 一壁及冷卻板等含流道部件的工藝方法。熱等靜壓擴(kuò)散焊接主要 過程是在高溫下通過氣體(如Ar或N2)對(duì)真空密封后的待焊接面施加相向高壓， 使兩個(gè)焊接面微觀上的凹凸不平發(fā)生屈服變形及蠕變，從而緊密結(jié)合并發(fā)生原子擴(kuò) 散和組織重結(jié)晶，使材料最終緊密結(jié)合在一起。采用該方法制備獲得的部件焊接處的性能可以接近甚至達(dá)到基體材料的性能水平，因此熱等靜壓擴(kuò)散焊接方法很適合 用于聚變堆包層第一壁及冷卻板等含流道部件的制備，也就是采用含流道矩形管材 與板材進(jìn)行熱等靜壓擴(kuò)散焊接連接在一起制成第 一壁及冷卻板平板模塊，然后進(jìn)行 采用適當(dāng)彎曲工藝制成最終第 一壁及冷卻板產(chǎn)品。本工藝方法也適用于其他有特殊 要求的類似含流道復(fù)雜部件。本發(fā)明技術(shù)方案如下適用于聚變堆包層含流道部件的制造工藝，其特征在于主要包括以下步驟1) 加工內(nèi)側(cè)為所需流道形狀、外側(cè)為矩形的管道以及一定厚度平板，并進(jìn)行管 道外表面以及平板單面的精加工，粗糙度Ra低于6.3pm,機(jī)加工時(shí)不得采用含有S、 P、 Cl等元素的切削液；2) 對(duì)板材及管材進(jìn)行超聲波清洗等去污處理措施；3) 進(jìn)行管道及平板真空爐內(nèi)的加熱除去表面吸附的H20、 C02等氣體，真空度 需要優(yōu)于1Pa;4) 進(jìn)行矩形管道與平板的組裝，并置于電子束焊機(jī)真空室中以除去焊接面之間 的殘留氣體(真空度優(yōu)于10Pa),并進(jìn)行電子束焊接待焊接面外圍密封；5) 置入熱等靜壓機(jī)進(jìn)行熱等靜壓擴(kuò)散焊接，成型為含流道平板部件，熱等靜壓 參數(shù)為50~200MPa/1000~1150°C/l~6h;然后根據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步熱處理、彎曲變形以及表面機(jī)加工。其熱等靜壓擴(kuò)散焊接前待焊接面表面加工要求，機(jī)加工粗糙度需達(dá)到Ra<6.3M m，才幾加工時(shí)不得采用含有S、 P、 Cl等元素切削液。其熱等靜壓擴(kuò)散焊接前期處理方式，在對(duì)待焊接面清洗之后進(jìn)行真空加熱除氣 處理，真空度要優(yōu)于10Pa,以防止表面氧化并除去表面吸收的氣體。其熱等靜壓擴(kuò)散焊接密封方式并采用電子束焊機(jī)進(jìn)行待焊接面外圍的密封焊 接，焊接前真空室真空度優(yōu)于10Pa,以使待焊接面之間的殘留氣體盡量少。本發(fā)明中待焊接面表面加工要求機(jī)加工粗糙度需達(dá)到Ra<6.3 Mm，機(jī)加工時(shí)不 得采用含有S、 P、 Cl等元素的切削液，可以待焊接面保持很好的清潔度，以盡量 減少在焊接界面上產(chǎn)生損害性能的夾雜物；部件各組成部分釆用真空加熱除氣處理， 真空度要優(yōu)于10Pa，以防止表面氧化并除去表面吸附的H20、 C02等氣體，而且采用真空電子束焊接進(jìn)行外圍焊接時(shí)真空度要優(yōu)于10Pa,這樣可以獲得高質(zhì)量可靠的 真空密封環(huán)境，使熱等靜壓擴(kuò)散焊接獲得的焊接處質(zhì)量高，可達(dá)到或者接近基材性 能水平。


圖1為本發(fā)明液態(tài)鋰鉛測(cè)試包層模塊設(shè)計(jì)中第一壁及流道截面圖。 圖2為本發(fā)明液態(tài)鋰鉛聚變堆包層第一壁制造流程圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在以中國(guó)液態(tài)鋰鉛聚變堆包層第一壁加工制造為例進(jìn)行進(jìn)一步說明。中國(guó)的液態(tài)鋰鉛聚變堆包層設(shè)計(jì)中采用中國(guó)低活化馬氏體鋼(CLAM)鋼作為結(jié) 構(gòu)材料。具體的制造步驟如圖2，并詳細(xì)說明如下1)制造CLAM鋼板材以及矩形管道，并釆用磨床或者銑床進(jìn)行精密表面加工， 表面粗糙度達(dá)到Ra<6. 3 in m;2 )對(duì)CLAM鋼板材以及矩形管道進(jìn)行超聲波清洗(溶液為丙酮與酒精混合溶液) 以進(jìn)行去污處理；3) 進(jìn)行300 1000。C真空除氣處理，真空度要求lPa以下，以除去吸附在CLAM 表面以及表層吸收和存儲(chǔ)的H20， 02等氣體，處理后保存在清潔干燥、氣體保護(hù)或者 真空環(huán)境中；4) 將CLAM鋼板材與矩形管道進(jìn)行裝配，并在在真空電子束焊機(jī)中進(jìn)行管與板 待焊接面外圍的焊接，焊接時(shí)真空度優(yōu)于lPa,以營(yíng)造高質(zhì)量真空密封環(huán)境；5 )在熱等靜壓爐中進(jìn)行熱等靜壓擴(kuò)散焊接，熱等靜壓參數(shù)為1000~1150°C/ 100~150MPa/2~6h。6)將含流道板進(jìn)行加熱彎曲成"U"型，并進(jìn)行熱處理以恢復(fù)材料性能，然后 進(jìn)4亍必要的才幾加工。采用該工藝過程制造的第一壁部件性能均一，可靠，沒有熔化焊接法熱影響區(qū) 等性能弱化區(qū)，也沒有鑄造部件的元素偏析以及氣孔等缺陷，其中焊接處拉伸強(qiáng)度可達(dá)到基材水平，沖擊強(qiáng)度也可達(dá)到基材的50%以上。另外采用該工藝過程制造的 第一壁在中子輻照條件下行為與基材一樣，完全可滿足聚變堆包層壽期內(nèi)的性能需 求。
權(quán)利要求
1.一種適用于聚變堆包層含流道部件的制造工藝，其特征在于主要包括以下步驟1)加工內(nèi)側(cè)為所需流道形狀、外側(cè)為矩形的管道以及一定厚度平板，并進(jìn)行管道外表面以及平板單面的精加工，粗糙度Ra低于6.3μm，機(jī)加工時(shí)不得采用含有S、P、Cl等元素的切削液；2)對(duì)板材及管材進(jìn)行超聲波清洗等去污處理措施；3)進(jìn)行管道及平板真空爐內(nèi)的加熱除去表面吸附的H2O、CO2等氣體，真空度需要優(yōu)于1Pa；4)進(jìn)行矩形管道與平板的組裝，并置于電子束焊機(jī)真空室中以除去焊接面之間的殘留氣體(真空度優(yōu)于10Pa)，并進(jìn)行電子束焊接待焊接面外圍密封；5)置入熱等靜壓機(jī)進(jìn)行熱等靜壓擴(kuò)散焊接，成型為含流道平板部件，熱等靜壓參數(shù)為50～200MPa/1000～1150℃/1～6h；然后根據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步熱處理、彎曲變形以及表面機(jī)加工。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于其熱等靜壓擴(kuò)散焊接前待焊接面表 面加工要求，機(jī)加工粗糙度需達(dá)到Ra<6.3um,機(jī)加工時(shí)不得采用含有S、 P、 Cl等元素切削液。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于其熱等靜壓擴(kuò)散焊接前期處理方式， 在對(duì)待焊接面清洗之后進(jìn)行真空加熱除氣處理，真空度要優(yōu)于10Pa,以防止表 面氧化并除去表面吸收的氣體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于其熱等靜壓擴(kuò)散焊接密封方式并釆 用電子束焊機(jī)進(jìn)行待焊接面外圍的密封焊接，焊接前真空室真空度優(yōu)于lOPa, 以4吏待焊接面之間的殘留氣體盡量少。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于聚變堆包層含流道部件的制造工藝，首先根據(jù)設(shè)計(jì)制造板材以及含流道矩形管材，并進(jìn)行精密表面加工，粗糙度Ra低于6.3μm；其次對(duì)上述零件進(jìn)行清洗去污以及真空加熱除氣處理；再次將零部件在電子束焊機(jī)中抽真空并進(jìn)行待焊接面外圍的密封焊接；然后放在熱等靜壓爐中進(jìn)行熱等靜壓擴(kuò)散焊接成形；最后進(jìn)行彎曲成型、熱處理及加工等。采用本方法制造的含流道部件整體性能可靠、均一，沒有熔化焊接法存在的熱影響區(qū)等性能弱化區(qū)，也不會(huì)出現(xiàn)類似鑄造部件中存在的元素偏析以及氣孔等缺陷，特別適用于強(qiáng)中子輻照條件下的聚變堆包層含流道部件制造。
文檔編號(hào)B23K20/24GK101332557SQ20081002114
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者吳宜燦, 李春京, 黃群英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所