偏滤器中钨与异种材料的连接技术研究进展

Welding Technology Vol．39No．9Sep.2010

0引言

磁约束核聚变堆试验装置是获得受控热核聚变能的主要装置之一，而偏滤器则是现代磁约束核聚变堆试验装置一个非常重要的组成部分［1］。偏滤器的主要功能是有效地屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染，排出来自中心等离子体的粒子流和热流以及核聚变反应过程中所产生的氦灰。偏滤器是构成高温等离子体与材料直接接触的过渡区域：一面是温度高达几亿度的等离子体，另一面是通常的固体材料。随着磁约束核聚变堆试验装置如EAST （Experimental Advanced Superconducting Tokamak），ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor），DEMO（Demonstration Power Plant）等的不断发展，偏滤器已从水冷型向氦冷型发展，相应的偏滤器材料也在不断发展［2］。

图1是ITER装置和DEMO装置的偏滤器部件结构示意图［3］，偏滤器部件主要包括面向等离子体材料、热沉材料和结构材料，不同类型的偏滤器部件其主要组成部分有所不同。由于钨及其合金材料具有高的熔点、低的蒸气压和低的溅射腐蚀率，故被认为是最有前景的面向等离子体材料，且全钨面向等离子体材料已经通过ASDEX Upgrade测试［4］；随着聚变试验装置中工作温度不断提高，冷却系统由水冷向氦冷型发展，相应的热沉材料由ITER，EAST等装置中的铜及其合金材料发展到DEMO等装置中的钨及其合金、低活化钢材料；未来的聚变装置将产生大量的中子辐照（约14MeV），结构材料将由不锈钢发展到低活化钢、ODS钢（Oxide Dispersion Strengthen Steel）。

然而，要想组成一个完整的偏滤器部件，这些材

·专题综述·

文章编号：1002－025X(2010)09-0003-05

偏滤器中钨与异种材料的连接技术研究进展

郭双全1，冯云彪1，燕青芝2，黎健2

（1.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031；2.北京科技大学核材料研究所，北京100083）

摘要：偏滤器是现代磁约束核聚变堆试验装置中一个非常重要的部件，其中面向等离子体材料、热沉材料和结构材料之间物理性能差异大的异种材料的连接是一个技术难题。电子束焊接技术、钎焊技术、热等静压技术、烧结－熔渗法、铸造技术、涂层技术等连接技术用于钨与铜、钨与钢的连接，功能梯度材料和中间过渡层的使用有效降低了连接部件的热应力。本文对水冷和氦冷2种偏滤器中钨及其合金材料与铜、低活化钢的连接技术进行了评述和展望。

关键词：核聚变；偏滤器；钨与铜；钨与钢；连接；评述和展望

中图分类号：TG457.19文献标志码：A

收稿日期：2010-06-25

基金项目：国际热核聚变实验堆（ITER）计划专项（2010GB109000

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焊接技术第39卷第9期2010年9月·专题综述·

料的连接至关重要。连接技术取决于被连接的2种材料的性质，因而对于2种性质相差很大的材料的连接技术的选择非常重要。由于钨与铜及其合金、钨与钢的物理性能特别是热膨胀系数相差特别大［5－6］，在连接和部件服役过程中将产生高的热应力，选择合适的连接技术，降低连接处的热应力有利于提高偏滤器的寿命。面向等离子体材料与热沉材料、热沉材料与结构材料之间的连接已经成为聚变装置发展的一个重要的方面和技术难题。本文主要介绍了不同偏滤器部件中钨与铜、低活化钢材料的连接技术，并且对将来连接技术的发展提出了一些建议。

1W/Cu连接技术

ITER试验装置采用水冷偏滤器，偏滤器的内外垂直靶的上部和挡板采用钨材料，铜合金作为热沉材料。钨与铜及其合金的物理性能差异巨大，特别是热膨胀系数相差4倍，熔点相差3倍左右，因此，W/ Cu连接是一个难点，发展起来的方法也很多［7］，例如：电子束焊接技术、钎焊技术、热等静压技术、烧结－熔渗法、铸造技术。为了降低和缓解偏滤器部件制备和服役过程中的热应力，葛昌纯等人提出了功能梯度材料的概念制备W/Cu FGM［8］，然而在实际制备过程中由于功能梯度材料制备的方法复杂，采用中间加过渡层的方法也是一种缓减热应力的有效途径。

1．1电子束焊接技术

电子束焊接是利用加速和聚焦的电子轰击置于真空或非真空中的焊件接缝所产生的热能熔化母材形成冶金结合而进行焊接，它是以高能密度电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接和加工的新型特种加工工艺方法。其焊接能量密度极高（104～109W/cm2），容易实现金属材料的深熔透焊接，且有焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接残余变形小、焊接工艺参数容易精确控制、重复性和稳定性好等优点。电子束焊接W－1％La2O3－CuCrZr的偏滤器部件可以承受16MW/m2，1000次的电子束疲劳试验［9］。

1．2热等静压技术

热等静压法是采用高压使被加工工件所需要的烧结温度大大降低，并使处理后的材料仍保持细晶粒的晶体结构，因为热等静压法在制备过程中温度、压力、时间可以调节，所以可制备高密度的样品。Saito 等人［10］研究表明，W/Cu采用热等静压技术可以直接焊接在一起，但是由于在界面处钨的氧化和残余应力大而使连接强度大大降低，然而加入一层厚度>0．3 mm的无氧铜或者其他过渡层都能提高连接强度。法国原子能委员会（Atomic Energy Commission，CEA）采用两步热等静压技术［11］，首先将W－1％La2O3以Ni 作为过渡层的热等静压技术焊接到无氧铜上，再采用热等静压技术与CuCrZr合金相连接，此模块可承受9．6MW/m2，1000次的电子束疲劳试验。

1．3烧结－熔渗技术

烧结－熔渗法是根据W，Cu的熔点相差很大，在Cu达到熔点温度时而W仍处于固态的原理，进行W/Cu复合材料连接。该过程分2个阶段完成：首先采用不同晶粒度的钨粉烧结制备出梯度孔隙钨骨架，然后渗铜得到W/Cu梯度分布的过渡层。这种方法的难点在于，钨骨架中孔隙率的分布不易控制，烧结钨骨架的温度过低时，不易获得足够强度的钨骨架，烧结温度过高时，又容易造成闭孔，难以获得连续的梯度孔隙从而难以获得连续成分变化的梯度材料；另外由于不同粒度的钨粉在烧结过程中收缩不一致，也容易造成钨骨架的变形。

为了获得合适的骨架孔隙分布，Jedamzik［12］和Birth［13］等人提出了一种新颖的技术——

—电化学法制备梯度钨骨架，首先将钨烧结成具有一定孔隙的钨板，然后在特定的电解池里通过控制电流密度、电解液电导率和电解时间等条件，由于不同阳极位置放电电位的不同导致W溶解速率不同而获得连续孔隙分布的钨骨架，然后再渗铜获得W/Cu FGM。周张健［14］通过使用不同粒度钨粉和添加不同量造孔剂的方法制备了孔隙梯度分布的钨骨架，选择一种在常温下呈粉末状，在较低温度下易于脱除，且不留残余物的有机物作为造孔剂兼粘接剂。

1．4超高压通电烧结技术

基于W/Cu FGM具有沿成分变化方向电阻递变的性质，因而有可能通过采取对样品施加高强交流电的方式，使电阻呈梯度变化的样品通过材料自身电阻发热而实现温度场梯度分布，从而实现具有高熔点差梯度材料的烧结和致密化的目的。根据这一思路，周张

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