钒作为中间层的钨和EUROFER97钢的扩散焊接研究.pdf

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1、20l3年国外核动力笫2期钒作为中间层的钨和EUROFER97钢的扩散焊接研究WidodoWidjajaBasuki，，iarirAktaa德国卡尔斯鲁厄技术研究院；德国应用材料研究院摘要：扩散焊接常用于聚变技术中一些零部件的制造，如钨(W)和EUROFER97钢的焊接。这2种材料不能直接焊接，因为这2种材料热膨胀系数不匹配，焊后会产生极高的残余应力。为了减小焊接过程中产生的残余应力，在焊接面之间增加一层厚度为1rain的钒(V)作为中间层(扩散焊接工艺条件为1050~C温度条件下保温lh)。在垂直于焊缝的轴向施加载荷，EUROFER97钢的变形在

2、控制5％以内。观察焊接样品熔合面没有发现缺陷，对焊缝区域进行微观结构分析，在EUROFER97钢一侧沿熔合面出现一块硬度非常大的区域，宽度为4pm；在钒的一侧，出现一层宽度为6pm的碳化物层(含V2C)，其硬度也很高。焊接样品的冲击韧性很低，在室温冲击下，与钨的冲击韧性相当。在550~C时对焊接样品进行拉伸实验，实验表明，焊接样品的抗拉强度很高，能达到EUROFER97钢抗拉强度的50％。1简介在聚变堆内，包层(blanket)和偏滤器(divertor)作为堆内构件暴露在聚变反应产生的高能粒子中。由于高能粒子的动能很高，元件接触等离子的面会受到极

3、高的热负荷和物理、化学的冲击过程，钨(w)作为一种低活化、难熔化的材料可用于应对这些问题。作为聚变示范堆(DEMO)堆内氦冷装置的结构材料，钨表现优良，能承受高达lOMW／m2的热流载荷[1,21。为了使钨用于面向等离子体的材料，必须将钨与低活化铁素体马氏体钢(如EUROFER97钢)进行焊接。然而，2种材料的物理性质有很大不同，对实现这2种材料的焊接有诸多限制。例如，2种材料物理性质最大的不同之处是熔点不同(钨的熔点为3422℃，钢的熔点为1536oC)，这使得采用传统的焊接手段不可能将2种材料焊在一起；而最大的问题却在于高温下2种材料的热膨胀系

4、数不匹配(钨的热膨胀系数为4．5×1O。6K～；EUROFER97钢的为12．7×10。6K)L3】，焊后沿熔合面会产生极大的残余应力，尤其是在焊接样品从高温迅速冷却至室温的过程中。这将导致焊接样品的力学性能如拉伸性能、延展性能等降低。目前，包括钎焊和扩散焊接在内的几种焊接方法已经用于钨和钢之间的焊接。在钎焊过程中，将2种材料焊接起来的温度必须足够高，才能使填充的钎料熔化。例如，用镍基合金作为钎料，STEMET1309钢的熔点为1120~C[4J，在钎焊过程中，焊接温度会超过低活化铁素45／马氏体(RAFM)钢的再结晶温度，这将导致材料的晶粒变粗，

5、因此其机械性能下降。为了避免材料性质发生较大的变化，采用一种固态扩散焊接的方法。扩散焊接实验54直接用于焊接钨和RAFM钢J，实验结果在熔合面出现一层脆性的金属间相，其硬度达到l5GPa[51o焊接样品的抗拉强度也非常高，在实验温度为650℃的条件下，其抗拉强度达~U440MPa【6J。焊接过后通常要对焊接样品进行热处理，以提高其机械性能，但是焊接的2种基体材料热膨胀系数不匹配，无法承受热处理时的高温。为了解决这个问题，本文在2种待焊材料间添加一层热膨胀系数介于钨和钢之间的钒作为中间层。钒和其合金材料在中子照射的条件下具有低活化性，在高温下的机械性

6、能也较好，钒合金甚至被考虑作为液态锂包层的结构材料J。2实验步骤实验采用的基体材料为直径18mm的圆柱体钨，纯度为99．96州．％，含碳量为0．003％，另外一种基体材料是厚度为25m的EUROFER97板状材料，其主要合金元素及含量为Fe、cr(8．890％)、钨(I．059％)、钒(0．180％)和C(O．096％)J。中间层是厚度为1mm的钒薄板，纯度为99．8％，含碳量为0．009％【9】。制作扩散焊接样品时，用线切割的方法从钨棒中加工出长16mm的焊接样品，用同样的方法取出直径为l8mm、长度为22mm的EUROFER97钢焊接样品，保证

7、其焊接面与轧制面方向一致，钒中间层加工成直接为18mm的薄圆片。焊接前，将所有样品的焊接面用SiC砂纸抛光，用金刚砂悬浮液研磨至表面光洁度达到0．2pan，之后在丙酮中经超声波清洗2次，每次15min，并组装，钒中间层在钨和EUROFER97钢之间，然后将样品一起置于Al203陶瓷板上，将氮化硼喷涂在焊接样品表面起隔热作用。添加氮化硼涂层的目的是在扩散焊接施加压力的情况下，减少陶瓷板材料对扩散焊接样品的影响，最后将装夹好的焊接样品放置于扩散室的压力块(其材料含钛、锆、钼等)下，如图l所示。扩散焊接在极高的真空度条件下进行，要求在1050~温度条件下

8、真空度达到6．0x10MPa，此温度下，EUROFER97钢会发生再结晶。在焊接过程中，用螺旋状的钨丝加热片给焊接样品加热