本发明专利技术公开一种适用于聚变堆包层的附钨U型含流道第一壁部件的制造工艺方法，采用热等静压扩散焊技术将钨与U型含流道钢复合在一起，进而实现功能化。主要工艺步骤要点如下：1）按照设计加工制备U型钢管材；2）加工制备带涂层钨片；3）加工制备外包套工装；4）热等静压焊接；5）去包套，加工成所需尺寸的第一壁部件。本发明专利技术通过U型钢管材和带涂层钨片制备以及一次整体热等静压工艺，实现了异种材料、结构复杂、多个界面的复合焊接，而且该工艺加工出来的部件没有熔化焊接焊缝的性能弱化区，整体结构致密可靠，特别适合聚变堆包层模块附钨第一壁部件的制备。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是一种适用于聚变堆包层的附钨U型含流道第一壁部件的制造工艺，属于金属扩散焊接领域。
技术介绍
聚变堆包层是聚变堆中核心部件之一，其既要实现对聚变能转换输出，也要实现氚燃料的增殖，同时包层部件所处环境极为恶劣，这就对包层的设计和研制都提出了巨大的挑战。其中包层第一壁直接面对等离子体,服役条件最为苛刻:承受高能(14MeV)高通量聚变中子辐照，高能高密度α、D等粒子轰击，增殖剂及冷却介质的腐蚀等，这对第一壁的材料和结构性能都提出了很高要求。而根据现有设计（如附图1）第一壁部件主要有两部分组成：含有多组冷却流道的U型钢工件和薄钨防护铠甲，在这个部件的研制过程中面对两个问题：1）钨与钢的连接；2）U型钢工件中多组冷却流道的加工制备。钨与钢的连接目前主要采用的方式有真空等离子喷涂、钎焊、化学气相沉积（CVD）等。真空等离子喷涂获得的钨涂层，结合强度较弱且致密度较低；钎焊是目前常用的一种异种材料焊接方法，焊接时钎料需要加热到熔点以上，容易导致基体组织粗化，因此需对基体材料进行热处理，但是热处理时钨材料在热应力的作用下易出现裂纹；CVD钨涂层也存在晶粒粗大问题。而钨/钢热等静压扩散焊接属于固相焊接，不存在金属熔化，合理的选择焊接参数可以得到界面致密可靠的工件，另外通过添加中间层可以缓解钨/钢因热膨胀系数不同导致的工件残余应力过大现象，因此特别适合聚变堆第一壁钨/钢连接。另一方面，第一壁部件内部流道具有大尺度（长：2-3m）和小尺寸（内部8×8mm）的特点，而且整个流道U型的，常规加工方法根本无法制造出来，而采用铸造方法虽然可以制造出该形状的工件，但是铸造过程中难以克服偏析、缩孔，另外铸造件内部结晶组织无法满足在如此苛刻条件下的服役性能要求；假如采用常规熔化焊接方法制备此工件会有非常长、数量巨大的焊缝，难以控制质量，而且焊缝处的性能与基材性能有较大差异，很难满足第一壁运行需求。因此，这里我们提出一种整体热等静压焊接方法，通过制备U型钢管材和带涂层薄钨片，实现聚变堆包层第一壁部件异种材料、结构复杂、多个界面的复合焊接。
技术实现思路
为了解决聚变堆包层第一壁部件制备过程中钨/钢连接和U型流道加工的难题，本专利技术提出一种聚变堆包层附钨U型含流道第一壁部件整体热等静压扩散焊的工艺方法。为了实现上述目的，本专利技术的工艺方案如下：一种聚变堆包层附钨U型含流道第一壁部件的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：a)、按照设计要求加工出各个元件，所述的元件包括多个U型管材钢工件和衬板，多个U型管材钢工件可以堆叠组成的U型工件组，衬板为用于该工件组上下内外的一定厚度的衬板，每个衬板的形状和该U型工件组的形状一致，均为U型，其中，U型外侧衬板圆弧段外侧需要加工成连续分布的具有一定宽度的平直竖条形状，保证钨片和U型工件组外侧衬板外侧圆弧段的密切接触，各元件的表面还需进行精加工，机加工后的表面粗糙度Ra小于1.6μm，以利于后续的热等静压焊接；b)、制备多个带涂层钨片：钨片宽度和U型外侧衬板圆弧段外侧加工成的连续的具有一定宽度的平直竖条形状的宽度对应相同，同时，在钨片的一面用电镀或者物理气相沉积（PVD）方法涂镀介质过渡层作为待焊接面，提高涂层钨片与U型外衬板钢工件的界面连接性能；c)、加工制备外包套工装：把多个U型管材钢工件堆叠装入包套中形成U型工件组，将上下内外U型衬板按位置放置到U型工件组周围，并将多个带涂层钨片对应外衬板外侧平直段及圆弧段连续的一定宽度的竖直平条形状依次放置到包套中，其中，镀层面相对外衬板放置，完成各元件在包套中的放置形成一个整体，然后对该整体进行封焊加热除气获得密封的包套工装件，要求包套内真空度要小于1Pa，防止气体进入氧化工件；d)、热等静压机焊接：将步骤（c）包套工装件整体放入热等静压机中焊接，热等静压参数如下：温度750-980℃，压力100-300Mpa，保温时间1.5-6h；e)、去包套，按照设计尺寸加工。所述的介质过渡层选用的介质为Ni、Cr、V或者Ti中的一种。热等静压参数为：温度750-800℃，压力100-130Mpa，保温时间3-4.5h。整个热等静压包套在封焊后各个U型钢管材工件的内流道是和大气相通的，确保在热等静压焊接过程中这些流道向四周有膨胀压力，并保证在热等静压后各个元件的接触界面均实现良好焊接。本专利技术的有益效果如下：本专利技术通过对置于真空包套中的外包套工装件热等静压扩散焊，可以一次性实现钨/钢焊接和含U型复杂流道第一壁部件的制备，实现了异种材料、结构复杂、多个界面的复合焊接，既解决了U型小尺寸流道的加工难题，同时该流道也是热等静压的高压气道，其中相比目前存在的钨/钢连接方式，例如真空等离子喷涂、钎焊优点是不存在金属熔化，属于固相连接，得到的工件连接强度高，性能可靠，而且对焊接界面性能影响小，接近基体材料性能，合理控制焊接温度参数可以不用后续热处理；另外相比其他流道制备方法，例如熔化焊接、铸造以及制备带流道平板+弯曲为U型板方法，本工艺方法不会出现熔化偏析、缩孔和性能降低等问题，加工出来的部件没有熔化焊接焊缝的性能弱化区，整体结构致密可靠，同时还具有流道内形状变化小等优点，极为适合于具有复杂多层结构和复杂流道部件的制备，尤其是聚变堆包层模块附钨第一壁部件的制备。附图说明图1 中国聚变工程实验堆的水冷陶瓷包层结构示意图，其中，1内为附钨区域图2 整体工件正视结构示意图；其中：1为U型上衬板，2为单个U型管材钢工件，3为U型外衬板，4为U型内衬版，5为U型下衬板。具体实施方式一种聚变堆包层附钨U型含流道第一壁部件的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：一种聚变堆包层附钨U型含流道第一壁部件的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：a)、按照设计要求加工出各个元件，所述的元件包括多个U型管材钢工件和衬板，多个U型管材钢工件可以堆叠组成的U型工件组，衬板为用于该工件组上下内外的一定厚度的衬板，每个衬板的形状和该U型工件组的形状一致，均为U型，其中，U型外侧衬板圆弧段外侧需要加工成连续分布的具有一定宽度的平直竖条形状，保证钨片和U型工件组外侧衬板外侧圆弧段的密切接触，各元件的表面还需进行精加工，机加工后的表面粗糙度Ra小于1.6μm，以利于后续的热等静压焊接；b)、制备多个带涂层钨片：钨片宽度和U型外侧衬板圆弧段外侧加工成的连续的具有一定宽度的平直竖条形状的宽度对应相同，同时，在钨片的一面用电镀或者物理气相沉积（PVD）方法涂镀介质过渡层作为待焊接面，提高涂层钨片与U型外衬板钢工件的界面连接性能；c)、加工制备外包套工装：把多个U型管材钢工件堆叠装入包套中形成U型工件组，将上下内外U型衬板按位置放置到U型工件组周围，并将多个带涂层钨片对应外衬板外侧平直段及圆弧段连续的一定宽度的竖直平条形状依次放置到包套中，其中，镀层面相对外衬板放置，完成各元件在包套中的放置形成一个整体，然后对该整体进行封焊加热除气获得密封的包套工装件，要求包套内真空度要小于1Pa，防止气体进入氧化工件；d)、热等静压机焊接：将步骤（c）包套工装件整体放入热等静压机中焊接，热等静压参数如下：温度750-980℃，压力100-300Mpa，保温时间1.5-6h；e)、去包套，按照设计尺寸加工。所述的介质过渡层选用的介本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种聚变堆包层附钨U型含流道第一壁部件的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：a)、按照设计要求加工出各个元件，所述的元件包括多个U型管材钢工件和衬板，多个U型管材钢工件可以堆叠组成的U型工件组，衬板为用于该工件组上下内外的一定厚度的衬板，每个衬板的形状和该U型工件组的形状一致，均为U型，其中，U型外侧衬板圆弧段外侧需要加工成连续分布的具有一定宽度的平直竖条，保证钨片和U型工件组外侧衬板外侧圆弧段的密切接触，各元件的表面还需进行精加工，机加工后的表面粗糙度Ra小于1.6μm，以利于后续的热等静压焊接；b)、制备多个带涂层钨片：钨片宽度和U型外侧衬板圆弧段外侧加工成的连续的具有一定宽度的平直竖条的宽度对应相同，同时，在钨片的一面用电镀或者物理气相沉积（PVD）方法涂镀介质过渡层作为待焊接面，提高涂层钨片与U型外衬板钢工件的界面连接性能；c)、加工制备外包套工装：把多个U型管材钢工件堆叠装入包套中形成U型工件组，将上下内外U型衬板按位置放置到U型工件组周围，并将多个带涂层钨片对应外衬板外侧平直段及圆弧段连续的一定宽度的竖直平条形状依次放置到包套中，其中，镀层面相对外衬板放置，完成各元件在包套中的放置形成一个整体，然后对该整体进行封焊加热除气获得密封的包套工装件，要求包套内真空度要小于1Pa，防止气体进入氧化工件；d)、热等静压机焊接：将步骤（c）包套工装件整体放入热等静压机中焊接，热等静压参数如下：温度750‑980℃，压力100‑300Mpa，保温时间1.5‑6h；e)、去包套，按照设计尺寸加工。...
【技术特征摘要】
1.一种聚变堆包层附钨U型含流道第一壁部件的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：a)、按照设计要求加工出各个元件，所述的元件包括多个U型管材钢工件和衬板，多个U型管材钢工件可以堆叠组成的U型工件组，衬板为用于该工件组上下内外的一定厚度的衬板，每个衬板的形状和该U型工件组的形状一致，均为U型，其中，U型外侧衬板圆弧段外侧需要加工成连续分布的具有一定宽度的平直竖条，保证钨片和U型工件组外侧衬板外侧圆弧段的密切接触，各元件的表面还需进行精加工，机加工后的表面粗糙度Ra小于1.6μm，以利于后续的热等静压焊接；b)、制备多个带涂层钨片：钨片宽度和U型外侧衬板圆弧段外侧加工成的连续的具有一定宽度的平直竖条的宽度对应相同，同时，在钨片的一面用电镀或者物理气相沉积（PVD）方法涂镀介质过渡层作为待焊接面，提高涂层钨片与U型外衬板钢工件的界面连接性能；c)、加工制备外包套工装：把多个U型管材钢工件堆叠装入包套中形成U型工件组，将上下内外U型衬板按位置放置到U型工件组周围，并将多个带涂层钨片对应外衬板外侧平直段及圆弧段连续的一定宽度的竖直平条...
【专利技术属性】
技术研发人员：王万景，罗广南，李强，谢春意，王纪超，刘松林，马学斌，
申请(专利权)人：中国科学院等离子体物理研究所，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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