專利名稱：熱核聚變實驗堆用防氚滲透無縫u形管路的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合管路制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種熱核聚變實驗堆用帶有耐腐蝕
及阻氚滲透的無縫u形復(fù)合管路的制備方法。
背景技術(shù)：
聚變能是一種"永久性"能源，是解決能源危機(jī)的最終途徑。國際熱核聚變實驗堆 ITER是驗證各種與聚變相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)的試驗平臺，為未來建造商用示范堆提供了關(guān)鍵的 技術(shù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其中ITER實驗包層模塊(TBM)是驗證未來聚變堆包層的氚增殖、電磁特 性、熱工水力以及整體集成技術(shù)的關(guān)鍵實驗設(shè)施之一。隨著ITER國際合作計劃的開展，各 參與國均發(fā)展了各自的測試包層模塊(TBM)以探索研究其包層技術(shù)。 試驗包層模塊中，采用RAMF鋼或奧氏體不銹鋼制備的U形管路在運(yùn)行過程中不僅 面臨液態(tài)Li2Pb的腐蝕及放射性氣體氚的滲透，因此管路必須具備優(yōu)良的耐腐蝕性和盡可 能低的氚滲透率。單一金屬材質(zhì)的管路難以滿足上述苛刻要求。鑒于氚在八1203陶瓷中滲 透率很低，所以在U形管路表面制備Al203陶瓷防氚滲透層成為可行的解決方案。此方案既 保證了 U形管路的結(jié)構(gòu)性能，也保證了管路耐鋰鉛腐蝕和抑制氚滲透的性能。方案對于試 驗包層模塊的高效、安全運(yùn)行具有重大的工程價值。 對于A1203陶瓷阻氚涂層的制備，目前主要采用的方法有化學(xué)氣相沉積法、熱浸鍍 鋁氧化法、等離子噴涂法及包埋法等。 化學(xué)氣相沉積法是通過賦予原料氣體不同的能量，在反應(yīng)器中混合，使其因化學(xué) 反應(yīng)而生成的固相膜沉積在基體上?；瘜W(xué)氣相沉積法制備的氧化鋁涂層因表面存在裂紋缺 陷而導(dǎo)致阻氚滲透效果不理想。另外，該方法沉積氧化鋁速率低、反應(yīng)溫度高，易引起基體 組織的結(jié)晶、再長大等變化，降低基體金屬的強(qiáng)度和影響工件形狀尺寸。熱浸鍍法是將待鍍 件浸入熔融的鋁液之中，基體材料與鋁發(fā)生反應(yīng)達(dá)到冶金結(jié)合。然后通過氧化工藝制備氧 化鋁涂層。利用該方法制備八1203涂層時，涂層內(nèi)部易產(chǎn)生微小孔洞和裂紋，氚通過孔洞和 裂紋進(jìn)行擴(kuò)散，使防氚滲透效果較差。等離子噴涂法是用等離子體發(fā)生器產(chǎn)生等離子體，同 時送粉管中的粉末在等離子焰流中被加熱到熔融狀態(tài)，高速噴涂在零件表面。當(dāng)熔融的球 形粉末撞擊零件表面時，發(fā)生塑性變形，附著在零件表面，各顆粒也依靠塑性變形而相互粘 結(jié)。隨著噴涂時間增長，零件表面就獲得了一定厚度的噴涂層。采用此方法制備的氧化鋁 涂層，表面較為粗糙，組織呈片層狀，孔洞較多。涂層中的孔洞和裂紋會影響涂層的阻氚效 果。包埋法是將零件表面清潔后埋入鋁粉、碳粉等粉末中，在密封、真空或者氣氛保護(hù)的環(huán) 境下加熱到特定溫度，長時間保溫，利用擴(kuò)散在零件表面生成一定厚度的化合物層。利用該 方法生產(chǎn)鋁滲層時，材料表面的鋁含量易發(fā)生改變，將影響基體材料的組織和性能。利用此 方法制備八1203阻氚滲透涂層時，涂層內(nèi)部同樣容易產(chǎn)生微小的孔洞和裂紋，涂層的防氚滲 透效果不甚理想。 綜合分析目前的A1203阻氚涂層制備技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)制備的八1203涂層 阻氚效果普遍較差；另外，現(xiàn)有技術(shù)難以在形狀相對復(fù)雜的熱核聚變實驗堆用無縫U形管路表面制備氧化鋁陶瓷涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種具有高結(jié)合強(qiáng)度、耐腐蝕及阻氚滲透的氧化 鋁陶瓷涂層復(fù)合U形管路。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的熱核聚變實驗堆用防氚滲透無縫U形管路的制備 方法包括以下步驟 (a)對覆層為鋁的雙金屬復(fù)合管進(jìn)行化學(xué)銑切預(yù)處理，然后放入冷拔模具內(nèi)，在管 坯頭部施加軸向作用力拔長，制備成矩形截面雙金屬復(fù)合直管； (b)將矩形截面芯棒及矩形截面柔性心軸放入矩形截面雙金屬復(fù)合直管內(nèi)，使矩 形截面芯棒與矩形截面雙金屬復(fù)合直管內(nèi)層保持O. 1倍壁厚的間隙，實施繞彎成形，制備 出矩形截面的U形管路； (c)將氯丁橡膠涂敷于U形管路的端部界面處，晾干后將U形管路放入40g/ L-200g/L濃度的氫氧化鈉溶液內(nèi)，對氫氧化鈉溶液進(jìn)行均勻加熱。通過控制氫氧化鈉溶液 溫度來控制化銑速度，并在加熱過程中快速攪拌氫氧化鈉溶液，化銑到所需厚度，取出，剝 除氯丁橡膠； (d)將化銑后的U形管路懸掛固定在電源陰極上，放置于爐腔內(nèi)，利用真空泵抽真 空達(dá)10—卞a后，充入氬氣，打開電源，在工件和陽極之間加入加熱電壓，溫度為100 600°C ， 通入氧氣，保溫l 6小時，后降到室溫，出爐可獲得內(nèi)表面為氧化鋁涂層的無縫復(fù)合U形管路。 所述雙金屬復(fù)合管的基材為316L不銹鋼或RAFM鋼。 [OOM]所述氧化鋁涂層的厚度為lOOnm 300 y m。 本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明可以在任意尺寸、復(fù)雜形狀的U形管路內(nèi)、外表面制 備結(jié)合力高達(dá)40N的氧化鋁陶瓷涂層，從而為研制具有耐腐蝕性及阻氚滲透等高性能涂層 的復(fù)合管路提供了一種新方法和新思路。 2、本發(fā)明可以實現(xiàn)在復(fù)合管路的鋁層上原位生成致密氧化鋁涂層，并可以通過化
銑工藝制備不同的鋁層厚度，從而可以擴(kuò)展最終復(fù)合管件的應(yīng)用范圍。 3、本發(fā)明在已經(jīng)具有耐腐蝕、防氚滲透涂層的基礎(chǔ)上，通過其他的沉積工藝可以
進(jìn)一步制備復(fù)合涂層，從而進(jìn)一步提高復(fù)合管路性能。 4、本發(fā)明生產(chǎn)效率高，可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，并且制備成本低，可以很好地滿足熱 核聚變實驗堆用防氚滲透復(fù)合管路的制備要求，對于核聚變工程具有重大的應(yīng)用價值。


圖1、本發(fā)明的流程圖。
具體實施例方式
下面通過具體的實施例子，詳細(xì)說明熱核聚變實驗堆用防氚滲透無縫U形管路的
制備工藝。 實施例1
第一步，對316L不銹鋼-Al雙金屬復(fù)合管實施化銑預(yù)處理，以去除復(fù)合管坯制備 過程中的表面氧化物及鹽類等雜物；對化銑預(yù)處理的雙金屬復(fù)合管下料，然后放入冷拔模 具內(nèi)，在管坯頭部施加軸向作用力拔長，管料在模具的作用下，分別在軸向、周向和徑向上 同時發(fā)生流動，制備出矩形截面復(fù)合直管； 第二步，將矩形截面芯棒及矩形截面柔性心軸放入矩形截面雙金屬復(fù)合直管內(nèi)， 使矩形截面芯棒與矩形截面雙金屬復(fù)合直管內(nèi)層保持0. 1倍壁厚的間隙，實施繞彎成形， 制備出矩形截面的U形復(fù)合管路； 第三步，將矩形截面的U形管路懸入40g/L-200g/L濃度的氫氧化鈉溶液內(nèi)，并添 加適當(dāng)?shù)匿X粉和硫化鈉。對氫氧化鈉溶液進(jìn)行均熱，控制溫度為8(TC左右。在氫氧化鈉溶 液中快速攪拌，使鋁層表面產(chǎn)生的H2迅速逸出溶液，從而保證氫氧化鈉溶液能夠高速、均勻 地腐蝕鋁層。待鋁層即將到達(dá)要求尺寸，移走加熱源，使氫氧化鈉溶液溫度下降對U形管路 進(jìn)行慢速腐蝕，最終使鋁層厚度控制在100nm 300 ii m ; 第四步，采用等離子氧化工藝制備氧化鋁涂層將化銑后的U形管路懸掛固定在 電源陰極上，放置于爐腔內(nèi)，利用真空泵抽真空達(dá)10—3Pa后，充入氬氣。打開電源，在工件和 陽極之間加入加熱電壓，通過溫度傳感器和數(shù)字信號處理器控制溫度在100 60(TC，通入 氧氣，保溫1 6小時，后降到室溫，可獲得內(nèi)表面為氧化鋁涂層的無縫復(fù)合U形管路。帶 有氧化鋁涂層的無縫復(fù)合U形管路腐蝕電位相對于316L不銹鋼基體降低3-4個數(shù)量級，阻 氚性能相對于不銹鋼基體提高3-5個數(shù)量級。
實施例2 第一步，對RAFM鋼/Al雙金屬復(fù)合管實施化銑預(yù)處理，以去除復(fù)合管制備過程中 的表面氧化物、鹽類等雜物；對化銑預(yù)處理的雙金屬復(fù)合管下料，然后放入冷拔模具內(nèi)，在 管坯頭部施加軸向作用力拔長，管料在模具的作用下，分別在軸向、周向和徑向上同時發(fā)生 流動，從而制備壁矩形截面復(fù)合直管； 第二步，將矩形截面芯棒及矩形截面柔性心軸放入矩形截面雙金屬復(fù)合直管內(nèi)， 使矩形截面芯棒與矩形截面雙金屬復(fù)合直管內(nèi)層保持0. 1倍壁厚的間隙，實施繞彎成形， 制備出矩形截面的U形管路； 第三步，采用與實施例1相同的化銑工藝對U形管路鋁層實施減薄，將鋁層厚度控 制在100nm 300 ii m ; 第四步，利用與實施例1相同的等離子氧化工藝在RAFM鋼/Al雙金屬U形復(fù)合管 內(nèi)表面制備致密的氧化鋁涂層。帶有氧化鋁涂層的無縫復(fù)合U形管路的腐蝕電位相對于 RAFM鋼基體降低3-5個數(shù) 級，阻氖性能相對于RAFM鋼基體提高3_5個數(shù)量級。
權(quán)利要求
熱核聚變實驗堆用防氚滲透無縫U形管路的制備方法，其特征在于通過下列制備步驟來實現(xiàn)(a)對覆層為鋁的雙金屬復(fù)合管進(jìn)行化學(xué)銑切預(yù)處理，然后放入冷拔模具內(nèi)，在管坯頭部施加軸向作用力拔長，制備成矩形截面雙金屬復(fù)合直管；(b)將矩形截面芯棒及矩形截面柔性心軸放入矩形截面雙金屬復(fù)合直管內(nèi)，使矩形截面芯棒與矩形截面雙金屬復(fù)合直管內(nèi)層保持0.1倍壁厚的間隙，實施繞彎成形，制備出矩形截面的U形管路；(c)將氯丁橡膠涂敷于U形管路的端部界面處，晾干后將U形管路放入40g/L-200g/L濃度的氫氧化鈉溶液內(nèi)，對氫氧化鈉溶液進(jìn)行均勻加熱。通過控制氫氧化鈉溶液溫度來控制化銑速度，并在加熱過程中快速攪拌氫氧化鈉溶液，化銑到所需厚度，取出，剝除氯丁橡膠；(d)將化銑后的U形管路懸掛固定在電源陰極上，放置于爐腔內(nèi)，利用真空泵抽真空達(dá)10-3Pa后，充入氬氣，打開電源，在工件和陽極之間加入加熱電壓，溫度為100～600℃，通入氧氣，保溫1～6小時，后降到室溫，出爐可獲得內(nèi)表面為氧化鋁涂層的無縫復(fù)合U形管路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述熱核聚變實驗堆用防氚滲透無縫U形管路的制備方法，其特征 在于所述雙金屬復(fù)合管的基材為316L不銹鋼或RAFM鋼。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述熱核聚變實驗堆用防氚滲透無縫U形管路的制備方法，其特征 在于所述氧化鋁涂層的厚度為lOOnm 300 y m。
全文摘要
一種熱核聚變實驗堆用防氚滲透無縫U形管路的制備方法，該方法首先對覆層為鋁的雙金屬復(fù)合管進(jìn)行化學(xué)銑切預(yù)處理，然后對處理后的復(fù)合管坯實施整體冷成形工藝，充分利用覆層金屬與基材冶金結(jié)合，變形過程中不易開裂分層的優(yōu)良特性，并通過合理控制成形模具及其他成形零件的形狀和尺寸，制備出無縫U形管路。對U形管路實施化學(xué)銑切，并根據(jù)實際的工程需要，控制鋁層的厚度。采用等離子氧化方法在U形管路表面原位生成具有耐腐蝕且阻氚滲透氧化鋁涂層。最終制備出帶有防氚滲透及耐腐蝕的氧化鋁陶瓷涂層的無縫復(fù)合U形管路。
文檔編號F16L43/00GK101761722SQ20091026412
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者郭訓(xùn)忠, 陶杰 申請人:南京航空航天大學(xué)