專利名稱：聚變反應(yīng)堆的層狀構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚變反應(yīng)堆的高耐熱層狀構(gòu)件，其至少包括由鎢或鎢含量＞90重量％的鎢合金制成的面向等離子區(qū)、由導(dǎo)熱率＞250W/mK且平均顆粒尺寸＞100μm的銅或銅合金制成的散熱區(qū)以及位于二者之間的、由難熔金屬-銅復(fù)合材料構(gòu)成的區(qū)域。
背景技術(shù)：
對(duì)于固定聚變反應(yīng)堆(stationary fusion reactor)的運(yùn)行，期望第一壁構(gòu)件(也稱為PFC，面向等離子構(gòu)件plasma facing component)表面區(qū)域的功率達(dá)到10MW/m2。當(dāng)發(fā)生等離子破壞時(shí)，可以在幾毫秒內(nèi)在某些點(diǎn)上釋放出大約20GJ。為在最大能量聚集區(qū)域使用而特殊設(shè)計(jì)的PFC，例如分流器(diverter)、擋板和限制區(qū)，其發(fā)展反映了聚變研究結(jié)果的技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵因素。
可以應(yīng)用于PFC的材料有多種不同類型，并且常常是互相矛盾的。除了物理和力學(xué)性能以外，例如高的導(dǎo)熱率、高的熔點(diǎn)、低的蒸氣壓、好的耐熱沖擊性以及適于加工性，在核聚變中應(yīng)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變、低的連續(xù)氚吸收、低的等離子體離子和中子粒子侵蝕、低的濺射率以及諸如電弧、過熱點(diǎn)和低的堆芯等離子冷卻等局部作用引起的腐蝕，以及通過標(biāo)識(shí)輻射的低的堆芯等離子冷卻。
根據(jù)具體的載荷條件，PFC的優(yōu)選材料是鈹、碳纖維增強(qiáng)的碳(CFC)以及鎢。鎢特別適合用作第一壁，在此處具有較低的等離子體溫度和高的粒子密度。鎢具有非常好的熱性能，例如高的導(dǎo)熱率(室溫下165W/mK)。并且，其高的熔點(diǎn)、低的氚吸收性、低的真空放氣率和低的濺射率，本質(zhì)上決定了鎢在PFC中的應(yīng)用。為了達(dá)到極高能量密度區(qū)的有效散熱，必須有效地冷卻PFC。這可以通過充滿循環(huán)冷卻液的銅構(gòu)件來幫助實(shí)現(xiàn)，銅構(gòu)件與鎢構(gòu)件結(jié)合在一起形成熱沉材料。為了達(dá)到足夠高機(jī)械穩(wěn)定性和剛性，將銅熱沉材料與高剛性的金屬結(jié)構(gòu)材料接合在一起是有優(yōu)勢(shì)的。奧氏體不銹鋼和顆粒增強(qiáng)的銅合金，例如時(shí)效硬化的Cr-Zr合金化銅合金(Cu-Cr-Zr)或ODS(氧化物彌散強(qiáng)化的)銅材料(如Cu-Al2O3，Cu-ZrO2，Cu-Y2O3，Cu-稀土氧化物)，適合于這類增強(qiáng)零件。對(duì)于高能量密度區(qū)域內(nèi)使用的PFC，考慮了兩個(gè)設(shè)計(jì)變量。在所謂的平鋪瓦片結(jié)構(gòu)中，各個(gè)材料之間的過渡幾乎是均勻的。在單塊結(jié)構(gòu)中，充滿循環(huán)冷卻液的管提供了足夠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛性，管可以由，例如，時(shí)效硬化的銅合金或ODS銅制成。朝向外側(cè)的是，其它材料以比得上平鋪瓦片結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)排列。鎢塊是立方體形，環(huán)繞著冷卻管，在冷卻管與鎢塊之間放置由軟的、塑性材料，優(yōu)選的是低氧含量的純銅(OFHC銅)，構(gòu)成的緩沖層。
在聚變反應(yīng)堆用的層狀零件，例如平鋪瓦片結(jié)構(gòu)或單塊狀構(gòu)件的生產(chǎn)中，所遇到的特殊的困難是，鎢和銅表現(xiàn)出非常不同的熱膨脹行為。鎢的熱膨脹系數(shù)在室溫下是4.5×10-6K-1，而銅是16.6×10-6K-1。
推薦用于鎢與銅結(jié)合的技術(shù)包括擴(kuò)散焊接和后鑄造。擴(kuò)散焊接可以利用等熱靜壓(HIP)完成，如EP1 025 938中所描述的。上述的工藝是在約700到1300℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。在冷卻過程中，由于鎢和銅的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致在接頭附近產(chǎn)生應(yīng)力。但是，在PFC使用過程中，當(dāng)它們應(yīng)用在循環(huán)熱負(fù)荷下時(shí)，也產(chǎn)生應(yīng)力。這些應(yīng)力能導(dǎo)致鎢和銅的界面處產(chǎn)生裂紋或分離。這將阻礙散熱，從而產(chǎn)生層狀構(gòu)件將會(huì)熔化的危險(xiǎn)。廣泛的開發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)了，其中的一些已經(jīng)結(jié)束了，其目的就是獲得由面向等離子的鎢塊形態(tài)匹配地與有效冷卻的銅熱沉材料結(jié)合而成的層狀構(gòu)件，其中界面區(qū)的結(jié)合應(yīng)力低。
達(dá)到應(yīng)力的明顯降低是通過將鎢塊設(shè)計(jì)為其邊長(zhǎng)或直徑為幾毫米的單獨(dú)的小立方體或棒的組，從而將立方體或棒插入銅塊中。這種分割形式減小了結(jié)合過程和循環(huán)使用過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。但是，此設(shè)計(jì)也造成鎢銅界面中疲勞裂紋產(chǎn)生的高危險(xiǎn)性。
通過在鎢和銅塊之間放置梯度中間層減小界面中的張力，也已經(jīng)進(jìn)行了大量努力。例如，USP 5,126,106描述了一種制造鎢-銅FGM(梯度功能材料)的方法，其中鎢塊具有梯度的孔隙，例如通過等離子熱噴涂制造，然后滲入銅。
USP 5,988,488也描述了一種制造方法，其中使用等離子熱噴涂獲得鎢與銅塊之間的梯度中間層。與USP 5,126,106相比，銅相也是通過等離子熱噴涂形成的，其中加入的特殊粉末混合物中含有相應(yīng)比例的鎢和銅。鎢與FGM之間的一層薄的金屬膜促進(jìn)了結(jié)合。
USP 5,988,488中也描述了通過銅焊或擴(kuò)散焊接在鎢和銅熱材料之間插入一層由銅和鎢混合而成的層。但是，熱膨脹系數(shù)方面的差異太大。此專利中沒有提供更詳細(xì)的解釋。
雖然可以假定，USP 5,126,106和USP 5,988,488中描述的制造工藝制造的層狀零件，表現(xiàn)出對(duì)熱誘導(dǎo)裂紋的產(chǎn)生有很高的抵抗性。但是，這些專利中描述的工藝的缺點(diǎn)在于，它們是復(fù)雜的，相應(yīng)地以所述方式制造的零件非常貴。并且，由于工藝的工程技術(shù)限制，上面所述的技術(shù)僅能應(yīng)用于平鋪瓦片狀結(jié)構(gòu)。一般地，出于幾何上的原因，它們應(yīng)用于制造單塊形狀的零件是不可能的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種聚變反應(yīng)堆的層狀構(gòu)件，其包括至少一部分鎢或鎢合金以及銅或銅合金，表現(xiàn)出足夠的功能能力，特別是在熱疲勞方面，并且能在有效降低成本下生產(chǎn)，適用于單塊形狀構(gòu)件。
上述目的的達(dá)到是通過難熔金屬-銅復(fù)合材料表現(xiàn)出宏觀均勻的銅和鎢的含量過渡，以及在厚度d為0.1mm＜d＜4mm的整個(gè)范圍內(nèi)難熔金屬的含量x為10體積％＜x＜40體積％，從而使難熔金屬相形成幾乎連續(xù)的骨架。
難熔金屬-銅構(gòu)件應(yīng)用于很多工業(yè)領(lǐng)域，例如電子封裝用的熱沉材料或散熱材料。難熔金屬是周期表中IVb和Vb族的元素，其熔點(diǎn)超過1800℃，特別是金屬Nb、Ta、Cr、Mo和W。
在本領(lǐng)域廣泛傳播的概念是，聚變反應(yīng)堆的鎢-銅層狀構(gòu)件中的應(yīng)力僅能通過使用FGM減小。此此相反，通過實(shí)驗(yàn)令人驚奇地表明，由具有宏觀均勻的銅-難熔金屬濃度梯度的難熔金屬-銅材料制成的中間層，也能有效地使用。宏觀均勻的濃度梯度的定義為，在難熔金屬-銅復(fù)合材料的整個(gè)厚度上，不考慮濃度的微觀差異的濃度梯度。濃度的微觀差異總是存在于難熔金屬-銅復(fù)合材料中，因?yàn)殡y熔金屬和銅是彼此互不相溶的，或者僅在很小的程度上是互溶的。因此，在尺寸5到50μm范圍內(nèi)能發(fā)現(xiàn)銅和難熔金屬相區(qū)域的下一個(gè)區(qū)域。
僅當(dāng)由難熔金屬-銅復(fù)合材料構(gòu)成的層的厚度至少0.1mm時(shí)，才能達(dá)到有效減小界面區(qū)的應(yīng)力。較薄的層不能充分地減小應(yīng)力。而厚度為4mm以及大于4mm時(shí)，在抵抗分離和熱誘導(dǎo)疲勞裂紋方面，不削弱層狀零件的功能能力，但由于難熔金屬-銅復(fù)合材料的導(dǎo)熱率較低，使散熱性減小到不再保證層狀零件功能可靠性的程度。
獲得足夠的功能能力的再一個(gè)先決條件是，難熔金屬-銅復(fù)合材料中的難熔金屬含量必須在10～40體積％。更高或更低的難熔金屬含量都不能充分保證工藝穩(wěn)定性。并且，難熔金屬-銅復(fù)合材料必須以如下方式生產(chǎn)，即難熔金屬相形成幾乎連續(xù)的骨架。
使用粉末冶金工藝，例如多孔難熔金屬體熔滲銅，制造的難熔金屬-銅復(fù)合材料能滿足這種需要。多孔難熔金屬體可以是成形的或燒結(jié)的物體。具有幾乎連續(xù)的骨架的難熔金屬-銅復(fù)合材料也可以通過壓制混合粉末或復(fù)合粉末并且燒結(jié)來制造。除了以這種方式制造的W-Cu和Mo-Cu復(fù)合材料以外，使用軋制或擠壓的Mo-Cu復(fù)合材料也有特別的優(yōu)點(diǎn)。并且，銅或銅合金塊必須能充分地降低熱引起的應(yīng)力。假設(shè)選擇的標(biāo)準(zhǔn)為“導(dǎo)熱率＞250W/mK”，則僅能使用合金元素含量低以及相應(yīng)地屈服強(qiáng)度低的銅材料。另外，銅或銅合金塊必須具有大于100μm的平均顆粒尺寸，以便保證有效降低應(yīng)力。使用OFHC(無氧高導(dǎo)電率)銅，通過將其后鑄造成難熔金屬-銅復(fù)合材料而結(jié)合銅或銅合金，已證明具有大的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)工藝能保證銅/銅合金塊的平均顆粒尺寸總是大于100μm。通過熔化銅相將鎢/鎢合金塊結(jié)合到難熔金屬-銅復(fù)合材料塊上，可以在同一工藝過程中完成。將厚度在0.005～0.5mm之間的銅箔或銅片插入鎢與難熔金屬-銅復(fù)合材料之間，是有優(yōu)勢(shì)的。為了提高鎢與銅之間的結(jié)合，例如，通過涂覆鎢基體引入金屬元素或合金，也是有優(yōu)勢(shì)的，所述金屬元素或合金在鎢和銅中都溶解或者與這兩種元素反應(yīng)。鐵族金屬的元素或合金，例如鎳，適合這個(gè)目的。
適于作面向等離子塊的鎢材包括單晶鎢、純鎢、AKS(鋁-鉀-硅摻雜的)鎢、UHP(超高純凈)鎢、納米晶鎢、非晶鎢、ODS(氧化物彌散強(qiáng)化的)鎢、W-Re、ODS-W-Re，以及碳化物、氮化物或硼化物沉淀硬化的鎢合金，優(yōu)選的是碳化物、氮化物或硼化物的含量為0.05～1體積％。分割鎢/鎢合金構(gòu)件是有優(yōu)勢(shì)的。由于鎢構(gòu)件中的裂紋擴(kuò)展速率在變形方向比在垂直于變形方向明顯高，因此制造鎢零件時(shí)使變形方向垂直于面向等離子的表面，由此得到的零件應(yīng)用于高應(yīng)力水平下是合理的。
為了達(dá)到足夠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛性，將強(qiáng)度超過300MPa的金屬材料制成的構(gòu)件結(jié)合到銅塊上。特別適合的金屬材料包括時(shí)效硬化(age-hardened)的Cu-Cr-Zr和ODS-Cu材料以及不銹鋼。最適合的結(jié)合方法的選擇取決于配對(duì)材料的類型。銅-銅或銅-鋼配對(duì)最好使用硬釬焊或者諸如等熱靜壓的擴(kuò)散結(jié)合技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。適于銅-銅配對(duì)的還有熔化焊接方法，如高能電子束焊接。


。
圖1表示實(shí)施例1所述的制造成平鋪瓦片狀的分流器構(gòu)件；圖2表示實(shí)施例1和2所述的材料順序的剖視圖；圖3表示實(shí)施例1所述的后鑄造之后機(jī)械處理的中間產(chǎn)品；圖4表示實(shí)施例2所述的制造成單塊狀的分流器構(gòu)件；以及圖5表示與Cu-Cr-Zr管結(jié)合之前的、實(shí)施例2所述的制造成單塊狀的分流器構(gòu)件。
具體實(shí)施例方式
下面的實(shí)施例描述平鋪瓦片狀或單塊狀層狀構(gòu)件的制造。
實(shí)施例1聚變反應(yīng)堆的分流器板1制造成平鋪瓦片(見圖1)。在第一步中，從直徑60mm的鎢棒上切下20×40×6.5mm的鎢片2。從鎢棒上切割鎢片的方式是，片的高度(6.5mm)平行于棒的軸線)。這樣，顆粒對(duì)齊以后的主熱流方向。然后，從銅含量為15重量％的鎢-銅復(fù)合材料(記為T750)制成的板上切下中間片3，其厚度為2mm，寬度為20mm，長(zhǎng)度為40mm。
在合適的鑄造系統(tǒng)中，將鎢片2、0.1mm厚的OHFC銅箔、T750中間片3和20×40×10mm的OFHC銅塊4堆積起來。接著，在惰性氣體爐中在氫氣氣氛下于1250℃用OHFC銅將此堆層進(jìn)行后鑄造。在此溫度下保持30min，保證熔化的銅充分覆蓋結(jié)構(gòu)的所有固體部分。
將后鑄造的堆層從后鑄造系統(tǒng)中取出后，對(duì)堆層的所有側(cè)面進(jìn)行切削。在此過程中，將后鑄造的銅切削到剩余厚度為2mm(見圖3)。為了去除不需要的銅沉積，也在所有側(cè)面對(duì)其它表面進(jìn)行切削。
對(duì)從平行樣品的接合區(qū)取出的試樣進(jìn)行超聲波檢測(cè)和金相觀察后表明，一旦溫度降至銅熔點(diǎn)以下，則在冷卻階段在整個(gè)堆層中形成固相材料結(jié)合。
使用EP 1 025.938中描述的方法，將上述后鑄造過程中制造的層狀片與Cu-Cr-Zr熱沉材料5接合在一起，其中冷卻結(jié)構(gòu)7在從HIP系統(tǒng)中取出后機(jī)械地工作。構(gòu)件中的材料順序示意性地表示在圖2中。
實(shí)施例2圖4中所示的分流器板1是以類似的工藝制造成單塊的結(jié)構(gòu)。在30×20×10mm的鎢塊2的中心加工長(zhǎng)10mm、直徑15.2mm的通道。
外徑15mm、壁厚1mm和長(zhǎng)度10mm的環(huán)3，是由銅含量為20％(重量百分?jǐn)?shù))的鎢-銅復(fù)合材料(記為T800)的板制成的。
將厚度為0.1mm的OHFC銅箔、由T800制成的環(huán)3以及直徑13mm、長(zhǎng)15mm的OFHC銅棒，插入鎢塊中加工出的通道中，其中的材料順序如圖2所示。接著，在惰性氣體爐中在氫氣氣氛下于1250℃用OFHC銅對(duì)孔片進(jìn)行后鑄造，并在此溫度下保持30min。取出后鑄的單塊后，在后鑄造的銅中打出與鎢塊中的孔同心的、直徑12mm的孔。在此加工階段結(jié)束后，層狀的塊在孔內(nèi)具有厚度0.50mm的OFHC銅層4(見圖5)。將以這種方式制造的構(gòu)件在HIP工藝中與外徑12mm的Cu-Cr-Zr管5接合。從HIP系統(tǒng)中取出后，將冷卻結(jié)構(gòu)7機(jī)械地裝入。隨后的超聲波檢測(cè)和金相分析表明，以這種方式制造的層狀構(gòu)件的各部分完美地結(jié)合在一起。
權(quán)利要求
1.一種聚變反應(yīng)堆用的、高度耐熱的層狀構(gòu)件(1)，其至少包括由鎢或鎢含量＞90重量％的鎢合金制成的面向等離子區(qū)(2)，由導(dǎo)熱率＞250W/mK且平均顆粒尺寸＞100μm的銅或銅合金制成的散熱區(qū)(4)，以及位于二者之間的、由難熔金屬-銅復(fù)合材料制成的區(qū)域(3)，其特征在于難熔金屬-銅復(fù)合材料具有銅和鎢的宏觀均勻的濃度梯度，并且在厚度d為0.1mm＜d＜4mm的整個(gè)厚度范圍內(nèi)難熔金屬的含量x為10體積％＜x＜40體積％，從而使難熔金屬相形成幾乎連續(xù)的骨架。
2.如權(quán)利要求1所述的聚變反應(yīng)堆用的、高度耐熱的層狀構(gòu)件(1)，其特征在于將由室溫下的強(qiáng)度＞300MPa的金屬材料制成的部件(5)結(jié)合到由銅或銅合金制成的區(qū)域(4)上。
3.如權(quán)利要求2所述的聚變反應(yīng)堆用的、高度耐熱的層狀構(gòu)件(1)，其特征在于部件(5)由Cu-Cr-Zr合金制成。
4.如權(quán)利要求2所述的聚變反應(yīng)堆用的、高度耐熱的層狀構(gòu)件(1)，其特征在于部件(5)由奧氏體鋼制成。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的聚變反應(yīng)堆用的、高度耐熱的層狀構(gòu)件(1)，其特征在于區(qū)域(3)由利用粉末冶金工藝制造的難熔金屬-銅復(fù)合材料制成。
6.如權(quán)利要求5所述的聚變反應(yīng)堆用的、高度耐熱的層狀構(gòu)件(1)，其特征在于難熔金屬-銅復(fù)合材料包括鎢和10～40體積％的銅。
7.如權(quán)利要求5所述的聚變反應(yīng)堆用的、高度耐熱的層狀構(gòu)件(1)，其特征在于難熔金屬-銅復(fù)合材料包括鉬和10～40體積％的銅。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的聚變反應(yīng)堆用的、高度耐熱的層狀構(gòu)件(1)，其特征在于面向等離子區(qū)(2)是分片結(jié)構(gòu)的鎢或鎢合金。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的聚變反應(yīng)堆用的、高度耐熱的層狀構(gòu)件(1)，其特征在于構(gòu)件(1)是平鋪瓦片狀。
10.如權(quán)利要求1到8任一項(xiàng)所述的聚變反應(yīng)堆用的、高度耐熱的層狀構(gòu)件(1)，其特征在于構(gòu)件(1)是單塊狀。
11.一種制造如權(quán)利要求9所述的高度耐熱的層狀構(gòu)件(1)的方法，其特征在于將一個(gè)或多個(gè)由鎢或鎢合金制成的成形的部件(2)，在適合的溫度下以及在諸如石墨的防腐蝕模具中，在真空或惰性氣體氣氛下，與一個(gè)或多個(gè)由難熔金屬-銅復(fù)合材料制成并設(shè)計(jì)成板狀的成形的部件(3)結(jié)合，再通過熔化含銅的組分將其接合到由銅或銅合金制成的區(qū)域(4)，然后冷卻到室溫，此后，經(jīng)過機(jī)械加工后，通過焊接、釬焊、擴(kuò)散或電鍍工藝，將以這種方式加工的構(gòu)件形狀匹配地與強(qiáng)度＞300MPa的金屬部件(5)結(jié)合。
12.一種制造如權(quán)利要求10所述的高度耐熱的層狀構(gòu)件(1)的方法，其特征在于將一個(gè)或多個(gè)由具有孔的鎢或鎢合金制成的成形的部件(2)，在適合的溫度下以及在諸如石墨的防腐蝕模具中，在真空或非氧化的惰性氣體氣氛下，與一個(gè)或多個(gè)由難熔金屬-銅復(fù)合材料制成的環(huán)形的部件(3)結(jié)合，再通過熔化含銅的組分將其接合到由銅或銅合金制成的區(qū)域(4)，然后冷卻到室溫，此后，經(jīng)過機(jī)械加工后，通過焊接、釬焊、擴(kuò)散或電鍍工藝，將以這種方式加工的構(gòu)件形狀匹配地與強(qiáng)度＞300MPa的金屬部件(5)結(jié)合。
13.如權(quán)利要求11或12所述的制造層狀構(gòu)件(1)的方法，其特征在于將厚度為0.005～0.5mm的銅或銅合金箔/片(6)放入由鎢或鎢合金制成的成形的部件(2)與由難熔金屬-銅復(fù)合材料制成的成形的部件(3)之間。
14.如權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的制造層狀構(gòu)件(1)的方法，其特征在于將一層由鐵族金屬元素或合金，優(yōu)選地是鎳，制成的層應(yīng)用到由鎢或鎢合金制成的成形的部件(2)、由難熔金屬-銅復(fù)合材料制成的成形的部件(3)和/或由銅或銅合金制成的箔/片(6)的結(jié)合表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聚變反應(yīng)堆的高耐熱層狀構(gòu)件(1)，其至少包括由鎢和鎢合金制成的面向等離子區(qū)(2)，由銅或銅合金制成的并且平均顆粒尺寸為100μm以上的散熱區(qū)(4)以及由難熔金屬—銅復(fù)合材料制成的中間層(3)，其中難熔金屬—銅復(fù)合材料具有銅和難熔金屬的宏觀均勻的濃度梯度，并且在其整個(gè)厚度上難熔金屬的含量x為10體積％＜x＜40體積％。
文檔編號(hào)B32B15/01GK1538462SQ2004100306
公開日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2004年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月2日
發(fā)明者B·舍德勒, B 舍德勒, Th·格蘭策, 蘭策, Th·胡貝爾, 貝爾, K·沙伊貝爾, 簾炊 , D·舍德爾, 露, H-D·費(fèi)里德勒, 牙锏呂, Th·費(fèi)里德里克, 里德里克, A·察貝尼格, 茨岣 申請(qǐng)人:菩蘭茜股份公司