簡(jiǎn)述鎢銅合金的整體連接技術(shù)

　　(a)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中BNi-6連接層的變形原理圖。連接層發(fā)生局部變形。

　　(b)紅實(shí)線(xiàn)代表的是鋼化連接層的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。

　　(1)點(diǎn)為明顯屈服點(diǎn)。綠色虛線(xiàn)代表的是不同銅合金和焊接材料制備的樣品在焊接失敗時(shí)的形態(tài)。

　　持續(xù)從核聚變等離子體中吸收高熱量和粒子流的裝置是一個(gè)偏濾器。由于在熱轉(zhuǎn)移方面的表現(xiàn)優(yōu)良且可靠，這一偏濾裝置在世界范圍內(nèi)掀起一股研究它的熱潮。

　　塊狀金屬鎢可用作偏濾器裝甲材料，它具有低氫同位素保留及低濺射效率的優(yōu)勢(shì)。在鎢裝甲材料的背面連接著銅合金做的水冷散熱器，在熱傳遞過(guò)程中，這一裝置會(huì)膨脹伸長(zhǎng)。

　　他們考慮在旋轉(zhuǎn)反應(yīng)堆(FFHR-d1)中加入同樣的結(jié)構(gòu)，NIFS在考慮范圍。這么說(shuō)來(lái)，連接鎢和銅的技術(shù)就必不可少了。然而，這兩種金屬并不會(huì)形成合金。

　　在兩種金屬中，加入填充材料作為連接材料，并將這一材料加熱至900℃以上。由于銅和鎢的熱膨脹率大不相同，用于吸收熱膨脹的中間材料需要和填充材料一起添加進(jìn)去。直到現(xiàn)在人們也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)不用中間材料就能連接二者的技術(shù)。

　　但加入中間材料，又會(huì)增加連接界面和連接面積，從而減弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，導(dǎo)致成本增加、排熱性能下降等問(wèn)題。

　　研究結(jié)果和意義

　　日本核融合科學(xué)研究所的研究院Masayuki Tokitani及其研究團(tuán)隊(duì)研制出一種直接連接鎢和銅合金的技術(shù)，雖然有點(diǎn)困難。他們將連接材料用作緩沖，從而減少了中間材料的使用。利用這一技術(shù)，他們成功制備出在反應(yīng)堆條件(~15 MW/m2)下都具有優(yōu)異熱轉(zhuǎn)移容量的小型偏濾器。

　　該偏濾器必須能夠承受得住極強(qiáng)的熱流沖擊，甚至在焊接熱處理階段，因?yàn)樵谶@一階段，這個(gè)元器件會(huì)被加熱至900℃，再冷卻至室溫。

　　所以，裝甲材料和熱沉材料連接界面上就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力應(yīng)被盡可能快地除去。這一次，為了同時(shí)滿(mǎn)足種種需求，研究團(tuán)隊(duì)的成員使用BNi-6 (Ni-11%P)、氧化物彌散強(qiáng)化銅合金(ODS-Cu)和GlidCop? (Cu-0.3wt%Al2O3)作為填充材料，以達(dá)到最優(yōu)焊接條件。

　　更特別的是，Tokitani教授的研究團(tuán)隊(duì)將焊接材料的厚度定為38 ?m，熱處理溫度和時(shí)間分別是960℃和10min，在此期間進(jìn)行焊接操作。接下來(lái)，他們?cè)趶?60℃到100℃的冷卻過(guò)程中采用了極緩慢的自然冷卻，在100℃到室溫這段冷卻過(guò)程中，采用氮?dú)饫鋮s。焊接完成后，采取三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)試連接的強(qiáng)度。令人吃驚的是，連接層具有優(yōu)良的韌性，其屈服強(qiáng)度達(dá)200 MPa。既然鎢和GlidCop?材料在焊接處理后的屈服強(qiáng)度都在300 MPa以上，那么變形區(qū)域必然在焊接區(qū)以?xún)?nèi)。當(dāng)張力為0.2%時(shí)，這一區(qū)域也不太可能是產(chǎn)生大塑性變形的地方。既然實(shí)際的塑性變形區(qū)域都特別薄(比如幾十微米)，那么實(shí)際的張力應(yīng)遠(yuǎn)大于0.2%。這真是一個(gè)令人驚訝的結(jié)果。

　　這表明連接層有韌性，焊接產(chǎn)生的熱膨脹在這一區(qū)域被吸收殆盡。這種施加應(yīng)力的釋放功能具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，能有效去除反應(yīng)堆條件下工作的偏濾器中的隨機(jī)熱膨脹。另外，焊接失敗的樣品中綠色虛線(xiàn)表示不同銅合金和焊接材料。在這些失敗了的焊接樣品中，連接層脆性太大，僅在1/4所需張力的情況下就發(fā)生斷裂。W/BNi-6/GlidCop?小型偏濾器的成功制備要?dú)w因于先進(jìn)的焊接技術(shù)。對(duì)這一偏濾器，他們?cè)贜IFS下利用ACT2電子束裝置，在反應(yīng)堆相關(guān)條件下進(jìn)行了熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)。650℃的溫度遠(yuǎn)低于BNi-6的熔點(diǎn)(875℃)和鎢的再結(jié)晶溫度(~1500℃)。為什么它具有如此優(yōu)良的熱轉(zhuǎn)移容量呢?原因在于，既然要不加中間材料地直接結(jié)合，就應(yīng)當(dāng)將裝甲層到散熱器的熱阻減至最小。

　　這一研究成果提出的先進(jìn)焊接技術(shù)不僅可以制備先進(jìn)的偏濾器，而且可以減少聚變反應(yīng)堆整體偏濾器結(jié)構(gòu)的制造成本。在未來(lái)的工作中，利用這一技術(shù)，我們可以制備和這一小型偏濾器結(jié)構(gòu)相同的大型偏濾裝置，并用于核聚變反應(yīng)中。我們的目標(biāo)在于使偏濾裝置的遠(yuǎn)程操作和安全使用成為可能。

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