本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種W/CuCrZr穿管模塊的釬焊連接方法。
背景技術(shù)：
國際熱核聚變反應(yīng)堆(ITER)和未來的聚變示范堆(DEMO)等核聚變反應(yīng)裝置，由于非常高的壁負(fù)載，要求第一壁和偏濾器部件(通常采用模塊結(jié)構(gòu)以方便維護(hù))有優(yōu)良的熱祛除能力和模塊在聚變環(huán)境中的安全性和穩(wěn)定性，這樣必須發(fā)展具有主動冷卻的面向等離子體部件。
如ITER的偏濾器將采用全鎢結(jié)構(gòu)，其中偏濾器主要采用兩種形式，在穹頂部分采用平板結(jié)構(gòu)，靶板部分采用穿管結(jié)構(gòu)。
W-CuCrZr穿管結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)連接工藝主要有熱等靜壓、脹管熱擴(kuò)散焊接等方法。其中Plansee SE(Austria)和Ansaldo Nucleare(Italy)分別采用熱等靜壓和脹管法制備了W-CuCrZr穿管結(jié)構(gòu)；申請?zhí)枮镃N201110188358.8的專利文獻(xiàn)提到熱等靜壓方法連接鎢塊與無氧銅內(nèi)襯，然后用中溫脹管熱擴(kuò)散焊接方法把鉻鋯銅冷卻水管和一組帶有無氧銅中間層的鎢塊連接起來。但上述兩種方法效率低，并且存在焊縫結(jié)合度差，工藝復(fù)雜，不適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)等問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種W/CuCrZr穿管模塊的釬焊連接方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中效率低、工藝復(fù)雜以及不適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)等問題。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。
本發(fā)明的目的在于提供一種W/CuCrZr穿管模塊的釬焊連接方法，包括以下步驟：
步驟一、銅鎢連接；
(1)將鎢塊鉆孔，對鎢塊孔內(nèi)壁進(jìn)行預(yù)處理，清除孔內(nèi)壁的油污、雜質(zhì)以及孔內(nèi)壁的氧化膜；
(2)在石墨澆鑄模具中對步驟(1)加工的鎢塊進(jìn)行定位，在鎢塊的孔中心插入石墨圓柱組裝成加熱工件，石墨圓柱半徑小于鎢塊內(nèi)孔半徑，石墨圓柱與鎢塊內(nèi)孔同軸，在鎢塊內(nèi)孔中構(gòu)造環(huán)形空腔；將純銅至于石墨澆鑄模具頂部，環(huán)形空腔正上方；
(3)將步驟(2)組裝好的工件放入真空加熱爐，加熱至純銅熔化，液態(tài)純銅流入鎢塊內(nèi)孔的環(huán)形空腔，待液態(tài)純銅流滿鎢塊內(nèi)孔的環(huán)形空腔時，停止加熱，并使工件隨真空加熱爐冷卻至室溫，去除掉石墨澆鑄模具和石墨圓柱，在鎢塊內(nèi)孔形成一定厚度的純銅內(nèi)襯，形成鎢銅模塊；
步驟二、鎢銅模塊與CuCrZr合金管連接；
(1)CuCrZr合金管外徑小于鎢銅模塊孔內(nèi)徑，將CuCrZr合金管置入鎢銅模塊孔內(nèi)并保持同軸，在CuCrZr合金管與鎢銅模塊孔形成的間隙處置入釬料，組裝成釬焊工件；
(2)將釬焊工件放入真空釬焊爐中進(jìn)行焊接，形成W/CuCrZr穿管模塊，W/CuCrZr穿管模塊從內(nèi)到外依次為CuCrZr合金管、釬焊層、純銅層和鎢塊。
進(jìn)一步，所述石墨圓柱半徑比鎢塊內(nèi)孔半徑小1-2mm。
進(jìn)一步，所述純銅為高導(dǎo)無氧純銅，純度不小于99.9999wt.％。
進(jìn)一步，真空釬焊爐中的釬焊溫度為940-960℃，釬焊過程保溫時間為15-30min。
進(jìn)一步，在真空釬焊爐中釬焊完成后，釬焊工件快速冷卻至470℃-480℃，并在該溫度下保溫2-3h，隨后冷卻至室溫，完成鎢銅模塊與CuCrZr合金管的連接。
進(jìn)一步，釬焊工件的冷卻速度大于1℃/s。
進(jìn)一步，所述CuCrZr合金管的外徑比鎢銅模塊的內(nèi)徑小0.1-0.2mm。
進(jìn)一步，所述釬料為CuMnSiCr釬料，釬料厚度為40-80微米。
進(jìn)一步，所述釬料為Cu63Mn36Cr0.5Si0.5或Cu73Mn26Cr0.5Si0.5。
進(jìn)一步，所述真空加熱爐和真空釬焊爐的真空度至少小于5×10-3Pa。
本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：
利用本發(fā)明一種W/CuCrZr穿管模塊的釬焊連接方法獲得的W/CuCrZr穿管模塊，鎢與澆鑄純銅結(jié)合度良好，斷裂試驗(yàn)發(fā)生在純銅側(cè)，抗拉強(qiáng)度大于130MPa。
利用本發(fā)明一種W/CuCrZr穿管模塊的釬焊連接方法制備的W/CuCrZr模塊，焊縫界面結(jié)合完好，沒有孔隙、夾雜、裂紋等缺陷，并具有良好的結(jié)合性能和熱負(fù)荷性能，能夠承受大于10MW/m2的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷。
本發(fā)明一種W/CuCrZr穿管模塊的釬焊連接方法，相比于傳統(tǒng)的熱等靜壓和脹管法，效率高并且焊縫結(jié)合良好，工藝簡單，制備成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且該方法適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明一種W/CuCrZr穿管模塊的釬焊連接方法作詳細(xì)說明。
實(shí)施例1：
本發(fā)明一種W/CuCrZr穿管模塊的釬焊連接方法，該方法包括以下步驟：
步驟一、銅鎢連接；
(1)將鎢塊鉆孔，對鎢塊孔內(nèi)壁進(jìn)行預(yù)處理，清除孔內(nèi)壁的油污、雜質(zhì)以及孔內(nèi)壁的氧化膜；
所述鎢塊為工業(yè)純鎢；
(2)在石墨澆鑄模具中對步驟(1)加工好的鎢塊進(jìn)行定位，在鎢塊的孔中心插入石墨圓柱組裝成加熱工件，石墨圓柱半徑小于鎢塊內(nèi)孔半徑，保證石墨圓柱與鎢塊內(nèi)孔同軸，通過石墨澆鑄模具，在鎢塊內(nèi)孔中構(gòu)造環(huán)形空腔；將純銅至于石墨澆鑄模具頂部，環(huán)形空腔正上方；
所述石墨圓柱半徑比鎢塊內(nèi)孔半徑小1-2mm；
(3)將步驟(2)組裝好的工件放入真空加熱爐，加熱至純銅熔化，液態(tài)純銅流入鎢塊內(nèi)孔的環(huán)形空腔，待液態(tài)純銅流滿鎢塊內(nèi)孔的環(huán)形空腔時，停止加熱，并使工件隨真空加熱爐冷卻至室溫，去除掉石墨澆鑄模具和石墨圓柱，在鎢塊內(nèi)孔形成一定厚度的純銅內(nèi)襯，形成鎢銅模塊；
所述純銅內(nèi)襯的厚度與環(huán)形空腔的間距一致；
所述純銅為高導(dǎo)無氧純銅，純度大于99.9999wt.％，利用高導(dǎo)無氧銅較低的強(qiáng)度緩釋鎢和CuCrZr合金之間由于熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力；
步驟二、鎢銅模塊與CuCrZr合金管連接；
(1)CuCrZr合金管外徑小于鎢銅模塊孔內(nèi)徑，將CuCrZr合金管置入鎢銅模塊孔內(nèi)并保持兩者的同軸度，在CuCrZr合金管與鎢銅模塊孔形成的間隙處置入釬料，組裝成釬焊工件；
(2)將釬焊工件放入真空釬焊爐中進(jìn)行焊接，形成W/CuCrZr穿管模塊；
在真空釬焊爐中釬焊完成后，為了恢復(fù)CuCrZr合金的性能，釬焊工件快速冷卻至470℃-480℃，冷卻速度大于1℃/s，并在該溫度下保溫2-3h，隨后冷卻至室溫，完成鎢銅模塊與CuCrZr合金管的連接；
所述釬料為CuMnSiCr釬料，釬料厚度為40-80微米；
真空釬焊爐中的釬焊溫度為940-960℃，釬焊過程保溫時間為15-30min；
考慮到鎢銅之間的熱膨脹系數(shù)差異、釬料的厚度和釬焊溫度，為了保證裝配精度以及焊接質(zhì)量，CuCrZr合金管的外徑比鎢銅模塊的內(nèi)徑小0.1-0.2mm；
所述真空加熱爐和真空釬焊爐的真空度至少小于5×10-3Pa；
所述的W/CuCrZr穿管模塊從內(nèi)到外分別為CuCrZr合金管、釬焊層、純銅層和鎢塊。
實(shí)施例2：
本發(fā)明一種W/CuCrZr穿管模塊的釬焊連接方法，該方法包括以下步驟：
步驟一、將鎢塊鉆孔，孔的內(nèi)徑為17mm，對孔內(nèi)壁進(jìn)行預(yù)處理，清除表面的油污、雜質(zhì)以及孔內(nèi)壁的氧化膜；將鎢塊放入石墨模具中組裝成加熱工件，在鎢塊的內(nèi)孔中心插入直徑為13mm石墨圓柱形成環(huán)形空腔；純銅選擇為高導(dǎo)無氧純銅，純度大于99.9999wt.％。將組裝好加熱工件放入真空加熱爐，加熱至純銅熔化，液態(tài)純銅流入環(huán)形空腔；加熱完畢，加熱工件隨爐冷卻至室溫；然后將工件取出，去掉石墨圓柱，則在鎢塊內(nèi)孔形成2mm厚的純銅內(nèi)襯形成鎢銅模塊；
步驟二、將CuCrZr合金管、釬料、鎢銅模塊進(jìn)行組裝形成釬焊工件，從內(nèi)到外分別為CuCrZr合金管、釬料、無氧純銅層、鎢塊；CuCrZr合金管壁厚1.5mm，其外徑為比鎢銅模塊內(nèi)徑小0.1mm；釬料為Cu63Mn36Cr0.5Si0.5，釬料厚度為40微米；將釬焊工件放入真空釬焊爐中進(jìn)行焊接，釬焊溫度為940℃，保溫時間為30min；釬焊完畢，快速冷卻至480℃，并在該溫度下保溫2h；保溫完畢，釬焊工件隨爐冷冷卻至室溫，取出焊接樣。
實(shí)施例3：
本發(fā)明一種W/CuCrZr穿管模塊的釬焊連接方法，該方法包括以下步驟：
步驟一、將鎢塊鉆孔，孔的內(nèi)徑為17mm，對孔內(nèi)壁進(jìn)行預(yù)處理，清除表面的油污、雜質(zhì)以及孔內(nèi)壁的氧化膜；將鎢塊放入石墨模具中組裝成加熱工件，在鎢塊的內(nèi)孔中心插入直徑為15mm石墨圓柱形成環(huán)形空腔；純銅選擇為高導(dǎo)無氧純銅，純度大于99.9999wt.％；將組裝好加熱工件放入真空加熱爐，加熱至純銅熔化，液態(tài)純銅流入環(huán)形空腔；加熱完畢，加熱工件隨爐冷卻至室溫；然后將工件取出，去掉石墨圓柱，則在鎢塊內(nèi)孔形成1mm厚的純銅內(nèi)襯形成鎢銅模塊；
步驟二、將CuCrZr合金管、釬料、鎢銅模塊組裝成釬焊工件，從內(nèi)到外分別為CuCrZr合金管、釬料、無氧純銅層、鎢塊；CuCrZr合金管壁厚1.5mm，其外徑為比鎢銅模塊內(nèi)徑小0.2mm；釬料為Cu73Mn26Cr0.5Si0.5，釬料厚度為80微米；將組件放入真空釬焊爐中進(jìn)行焊接，釬焊溫度為960℃，保溫時間為15min；釬焊完畢，快速冷卻至470℃，并在該溫度下保溫3h；保溫完畢，釬焊工件隨爐冷冷卻至室溫，取出焊接樣。