一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法技术

本发明专利技术属于聚变反应堆技术领域，具体公开了热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，铜铬锆合金/不锈钢复合板制作HVT冷却通道上盖板，进行超声波无损探伤，机加工CuCrZr合金至形成完整的HVT齿型槽结构，HVT不锈钢水盒基座，装配HVT冷却通道上盖板和HVT不锈钢水盒基座，封闭冷却通道进出口，对HVT冷却通道基座进行水压试验和氦罩检漏，铍瓦的涂层面与HVT冷却通道基座铜铬锆合金面进行组装，有效保障了聚变堆第一壁手指部件异种材料间的可靠结合和铜铬锆合金热沉材料的性能，提升了部件HVT冷却通道的热疲劳性能、耐压性能和真空密封性能，消除了冷却通道的应力腐蚀倾向，部件整体的抗高热负荷疲劳破坏能力满足聚变堆服役条件要求。

Processing method of thermo nuclear fusion reactor reinforced thermal load first wall finger part

The invention belongs to the technical field of fusion reactor, which specifically discloses the processing method of the first wall finger parts for the heat load enhancement of the thermonuclear fusion reactor. The copper chrome zirconium alloy / stainless steel composite plate makes the cover plate on the HVT cooling channel, performs ultrasonic nondestructive flaw detection, machined the CuCrZr alloy to form a complete HVT toothed groove structure, and HVT stainless steel The base of the water box is assembled with the cover plate of the HVT cooling channel and the base of the HVT stainless steel water box. The inlet and outlet of the cooling channel are closed, the water pressure test and the helium leak detection for the HVT cooling channel base are made. The coating surface of the beryllium tile and the copper chrome zirconium alloy surface of the HVT cooling channel base are assembled, which effectively guarantees the dissimilar material of the first wall of the fusion reactor. The reliability of the composite and the properties of copper chrome zirconium alloy heat sink material improved the thermal fatigue performance, pressure resistance and vacuum sealing performance of the HVT cooling channel of the component, eliminating the stress corrosion tendency of the cooling channel, and the fatigue failure ability of the components to resist high heat load meets the requirements of the fusion reactor service condition.

【技术实现步骤摘要】
一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法
本专利技术属于聚变反应堆
，具体涉及一种国际热核实验堆(ITER)中的增强热负荷第一壁板加工方法。
技术介绍
ITER第一壁手指部件直接面对高温核聚变等离子体，其中的增强热负荷手指部件面临4.7MW/m2表面热负荷作用。因工作在脉冲运行状态，高热负荷热疲劳是其主要的破坏形式，ITER要求该部件的热疲劳设计寿命为15000次热循环。ITER第一壁手指部件由面对等离子体的纯金属铍瓦材料、中间层铜铬锆(CuCrZr)合金热沉材料及其背面奥氏体不锈钢(ASS)结构支撑材料构成，为使材料工作在允许温度范围内，部件中布满冷却通道，其中在热沉材料与不锈钢材料之间设计了超级蒸发(HVT)冷却通道，在ITER运行时通水冷却部件，设计压力5MPa，冷却水温度70～110℃。为避免应力腐蚀，要求构成该冷却通道的不锈钢材料的硬度应小于300Hv。为实现优良的传热性能、热疲劳性能和冷却通道的耐压性能，要求三种材料间有可靠的结合，铜铬锆合金的室温屈服强度应大于175MPa，部件铜铬锆合金最高运行温度250℃下的屈服强度应大于150MPa。ITER第一壁属于真空室内部件，要求手指部件具有优良的真空密封性能，其冷却通道的氦检漏泄漏率应小于2.7x10-10Pa.m3/s。因此，如何保障材料间的可靠结合、铜铬锆合金的强度、消除冷却通道的应力腐蚀倾向、提升部件的抗高热负荷疲劳损伤能力和确保真空密封性能是制造第一壁手指部件所面临的关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，能够保障第一壁材料间的可靠结合和铜铬锆合金的性能、消除冷却通道的应力腐蚀倾向、提升部件的抗高热负荷疲劳损伤能力并确保其冷却通道的真空密封性能。本专利技术的技术方案如下：一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，该方法包括如下步骤：1)采用铜铬锆合金/不锈钢复合板制作HVT冷却通道上盖板a)对所述复合板进行去应力退火处理；b)随后水冷至室温，恢复铜铬锆合金到固溶处理状态；2)对复合板进行超声波无损探伤；3)对UT合格的复合板，首先在模具的辅助下进行弯曲成型，随后在夹持工装的辅助下进行铣切加工；去除复合板中部的不锈钢至无残留，然后继续加工CuCrZr合金至形成完整的HVT齿型槽结构；4)加工HVT不锈钢水盒基座316L(N)奥氏体不锈钢锻件，分别加工HVT不锈钢水盒和分水隔板；在HVT不锈钢水盒基座上表面加工HVT环向凹槽，槽宽3mm，槽深3～6mm。将二者装配，以锁底焊形式进行焊接，焊接熔深3～5mm；5)装配HVT冷却通道上盖板和HVT不锈钢水盒基座；利用夹具加紧上述部件，并检验焊缝间隙小于0.1mm，随后采用5～6kW输入功率进行HVT水道的环缝焊接；6)封闭冷却通道进出口，对HVT冷却通道基座进行水压试验和氦罩检漏，确保耐压能力和气密性满足要求；7)铍瓦的涂层面与HVT冷却通道基座铜铬锆合金面进行组装，放入热等静压包套中，包套内部抽真空并夹封抽气管密封，随后进行热等静压处理；8)机加工去除热等静压包套，尺寸满足设计要求；9)将铍/铜铬锆合金连接界面进行超声波无损探伤。在上述的一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法中：所述的步骤1)中当采用HIP扩散连接方法制作铜铬锆合金/不锈钢复合板时，所用原材料铜铬锆合金板材应处于冷加工时效处理状态，HIP连接温度应在980～1040℃之间，压强100～130MPa。在上述的一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法中：所述冷加工时效处理工艺为，980±10℃固溶处理，保温20～30min后水冷，然后进行40～50％冷加工，最终475±5℃时效3h。在上述的一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法中：所述的步骤1)中的去应力退火处理温度为980±10℃，时间为20～30min。在上述的一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法中：所述的步骤2)和步骤8)的超声波无损探伤中，采用水浸法进行全域扫查，探头频率12MHz，探伤提示的缺陷小于2mm。在上述的一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法中：所述的步骤7)中热等静压处理的温度为580±5℃，压强130～150MPa，时间2小时。在上述的一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法中：所述的步骤7)中，铍瓦为单面带中间过渡层金属Ti/Cu涂层，Ti层的厚度应在8～12μm，Cu层的厚度为35～45μm。本专利技术的显著效果如下：本专利技术的加工方法，有效保障了聚变堆第一壁手指部件异种材料间的可靠结合和铜铬锆合金热沉材料的性能，提升了部件HVT冷却通道的热疲劳性能、耐压性能和真空密封性能，消除了冷却通道的应力腐蚀倾向，部件整体的抗高热负荷疲劳破坏能力满足聚变堆服役条件要求。在HVT冷却通道的不锈钢底面靠边加工环向凹槽，降低了HVT冷却通道侧边的刚度，改善了约束条件，从而将降低HVT冷却通道铜铬锆合金部位在ITER运行时的峰值应力，提升手指部件HVT冷却通道的热疲劳性能。另一方面，通过增加该环向槽，将封闭HVT通道的不锈钢环焊缝下移，在实现压力容器要求的对接焊透的同时，提供了更多的空间，焊缝与CuCrZr/ASS连接界面的距离从最长3.8mm提高到5mm以上，减轻了焊接热影响区对该双金属连接性能和铜铬锆合金性能的影响，从而更好地保障了HVT冷却通道CuCrZr/ASS连接界面和材料的可靠性，提高了真空密封性能。采用热等静压或爆炸焊制作CuCrZr/ASS双金属复合板，以及采用热等静压扩散连接金属铍瓦，均能实现材料间的冶金结合，确保了连接可靠性和复合体的高热负荷疲劳性能。对CuCrZr/ASS复合板进行退火处理，消除了爆炸焊连接界面附近金属的硬化，消除了界面在部件运行中的应力腐蚀倾向；该退火还恢复铜铬锆合金到固溶处理状态，从而在后续连接铍瓦的热等静压过程中实现合金的时效强化，保障了部件铜铬锆合金的性能，有效防止了合金在服役过程中的热疲劳破坏，从而从材料性能层面保障了冷却通道在使用中的密封性能。附图说明图1为HVT冷却通道结构；图2为HVT冷却通道上盖板加工示意图；图3为HVT不锈钢水盒基座加工示意图；图4为第一壁手指部件制造过程示意图。具体实施方式下面通过附图及具体实施方式对本专利技术作进一步说明。如图1所示，典型增强热负荷ITER第一壁手指部件HVT冷却通道是一种CuCrZr/ASS结构，通道高度为5mm，宽度为40mm，底面平直。为实现矩形冷却通道结构，需在冷却通道四周施焊将上(CuCrZr/ASS结构)下(ASS结构)两部分连接到一起。为实现对接焊以防止使用中发生焊缝应力腐蚀，HVT冷却通道的不锈钢环向焊缝只能位于通道中部附近，与CuCrZr/ASS连接界面的最大距离仅3.8mm，焊接将影响到CuCrZr/ASS的连接性能。改进后的HVT冷却通道在其不锈钢底面增加3mm宽、3～6mm深的环向凹槽，不锈钢环向焊缝可下移到凹槽顶面下方仍能实现对接焊，其距离CuCrZr/ASS连接界面的距离达到5mm以上，极大地减轻了焊接对该连接界面性能的影响。另一方面，添加该凹槽将提升HVT冷却通道结构的热疲劳性能，计算分析表面，当槽深为6mm时，HVT冷却本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)采用铜铬锆合金/不锈钢复合板制作HVT冷却通道上盖板；a)对所述复合板进行去应力退火处理；b)随后水冷至室温，恢复铜铬锆合金到固溶处理状态；2)对复合板进行超声波无损探伤；3)对UT合格的复合板，首先在模具的辅助下进行弯曲成型，随后在夹持工装的辅助下进行铣切加工；去除复合板中部的不锈钢至无残留，然后继续加工CuCrZr合金至形成完整的HVT齿型槽结构；4)加工HVT不锈钢水盒基座316L(N)奥氏体不锈钢锻件，分别加工HVT不锈钢水盒和分水隔板；在HVT不锈钢水盒基座上表面加工HVT环向凹槽，槽宽3mm，槽深3～6mm，将二者装配，以锁底焊形式进行焊接，焊接熔深3～5mm；5)装配HVT冷却通道上盖板和HVT不锈钢水盒基座；利用夹具加紧上述部件，并检验焊缝间隙小于0.1mm，随后采用5～6kW输入功率进行HVT水道的环缝焊接；6)封闭冷却通道进出口，对HVT冷却通道基座进行水压试验和氦罩检漏，确保耐压能力和气密性满足要求；7)铍瓦的涂层面与HVT冷却通道基座铜铬锆合金面进行组装，放入热等静压包套中，包套内部抽真空并夹封抽气管密封，随后进行热等静压处理；8)机加工去除热等静压包套，尺寸满足设计要求；9)将铍/铜铬锆合金连接界面进行超声波无损探伤。...

【技术特征摘要】
1.一种热核聚变堆增强热负荷第一壁手指部件的加工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)采用铜铬锆合金/不锈钢复合板制作HVT冷却通道上盖板；a)对所述复合板进行去应力退火处理；b)随后水冷至室温，恢复铜铬锆合金到固溶处理状态；2)对复合板进行超声波无损探伤；3)对UT合格的复合板，首先在模具的辅助下进行弯曲成型，随后在夹持工装的辅助下进行铣切加工；去除复合板中部的不锈钢至无残留，然后继续加工CuCrZr合金至形成完整的HVT齿型槽结构；4)加工HVT不锈钢水盒基座316L(N)奥氏体不锈钢锻件，分别加工HVT不锈钢水盒和分水隔板；在HVT不锈钢水盒基座上表面加工HVT环向凹槽，槽宽3mm，槽深3～6mm，将二者装配，以锁底焊形式进行焊接，焊接熔深3～5mm；5)装配HVT冷却通道上盖板和HVT不锈钢水盒基座；利用夹具加紧上述部件，并检验焊缝间隙小于0.1mm，随后采用5～6kW输入功率进行HVT水道的环缝焊接；6)封闭冷却通道进出口，对HVT冷却通道基座进行水压试验和氦罩检漏，确保耐压能力和气密性满足要求；7)铍瓦的涂层面与HVT冷却通道基座铜铬锆合金面进行组装，放入热等静压包套中，包套内部抽真空并夹封抽气管密封，随后进行热等静压处理；8)机加工去除热等静压包套，尺寸满足设计要求；9)将铍/铜铬锆合金连接界面进行超声波无损探伤。2.如权利要求1所述的热核...

【专利技术属性】
技术研发人员：谌继明，王平怀，金凡亚，杨波，刘丹华，朱小波，高翚，李前，朱明，范小平，吴继红，
申请(专利权)人：核工业西南物理研究院，
类型：发明
国别省市：四川,51