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無錫國勁合金有限公司
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閱讀：234發布時間：2017-1-7
作為聚變反應堆的重要組成部分,面向等離子體構件(plasma facing components, PFCs)的工作環境非常惡劣,通常會受到高熱負荷、高能逃逸電子的轟擊、高能中子的輻照以及其它粒子的濺射作用,這就要求PFCs具有較高的可靠性。因此,為了保證核聚變堆的安全運行,對PFCs的材料選擇*。PFCs包括面向等離子體材料和熱沉材料兩部分。由于鎢具有無化學濺射、高物理濺射閾值、長壽命、高熔點、高熱導等一系列特性,使其成為非常具有競爭力的面向高溫等離子體材料。而銅合金則由于具有高熱導而被視為潛在的熱沉材料。然而,關鍵的問題是鎢與銅合金的熱膨脹系數和彈性性能差異較大。這些差異導致在鎢與銅合金的連接過程以及核聚變裝置的運行過程中,在PFCs內部產生較大的熱應力,嚴重影響了PFCs的安全可靠性和使用壽命。此外,鎢也存在著燒結困難、室溫脆性、塑-脆轉變溫度(ductile-to-brittle transition temperature, DBTT)高等問題。因此,對PFCs進行結構優化用以減小熱應力和高性能鎢基材料的研發具有重要的實際意義和應用前景。考慮到上述問題,本論文采用有限元法對W/CuCrZr面向等離子體構件進行熱力耦合分析。為了緩解連接過程中和聚變堆運行期間產生的熱應力,在鎢與CuCrZr之間加入了不同厚度的柔性高熱導無氧銅(oxygen free high conductivity copper, OFHC-Cu)界面層。通過對不同界面層厚度構件模擬結果的分析,確定了合適的界面層厚度范圍,實現了PFCs結構的優化。數值分析也表明,PFC構件的結構完整性對面向等離子體鎢基材料具有較高的性能要求。為此,本文也研究了高性能鎢基材料的制備技術,并對關鍵性能做了測試分析。主要研究內容和結論概括如下：首先建立了具有不同界面層厚度的三維W/CuCrZr構件有限元分析模型,對連接過程中產生的熱應力和塑性應變進行分析。研究工作發現,較溥的界面層能夠有效的釋放熱應力,但卻導致構件對熱疲勞非常敏感。較厚的界面層則不能有效的釋放熱應力。因此,本文通過對不同界面層厚度構件計算結果的對比分析,實現了界面層厚度的優化,降低了PFCs在連接過程中產生的熱應力。其次,在聚變堆的運行過程中,PFCs將暴露于一定的穩態熱負荷之下,導致暴露面的溫度升高,在PFCs中產生溫度的梯度分布。PFCs中溫度的梯度分布促使構件中產生熱應力,進而對構件的穩定性和使用壽命造成一定的影響。所以本文也對穩態熱負荷(5-25MW/m2)下含有不同界面層厚度的PFCs進行了熱力耦合分析,并探討了界面層厚度對該情況下PFCs溫度分布、熱應力、塑性應變的影響。研究發現,W/CuCrZr構件可以在5-10MW/m2的穩態熱負荷下穩定工作；載荷較小時,由于界面層沒有發生明顯的塑性變形,所以界面層對熱應力的影響不明顯。當熱流密度載荷大于等于10MW/m2時,界面層的加入可以有效的減小構件中的熱應力,改善應力集中情況。因此,在較大的穩態熱負荷下,我們通過加入界面層并優化其厚度降低了PFCs內部的熱應力,改善了PFC的熱-機械完整性。在聚變堆裝置實際運行過程中,通常還會有邊界局域模或等離子體破裂等其它非正常事件的發生。因此,PFM除了要經受穩態熱負荷的作用,還要受到很高的瞬態熱沖擊效應。所以在這樣的情況下,PFCs將受到穩態和瞬態熱負荷的耦合作用。而本文進一步實現了不同界面層厚度PFCs在穩態-瞬態耦合熱負荷下的熱力耦合分析。探討了W/CuCrZr構件在穩態-瞬態耦合載荷下的穩定性以及界面層厚度對構件溫度、熱應力、塑性應變的影響。研究工作發現,瞬態載荷對溫度的影響主要限于鎢表層區域,而界面層的溫度變化很小。這就導致鎢表層區域產生較大的熱應力,進而引發該區域的開裂、破壞。此外,加入界面層可以減小界面處的熱應力,但是導致鎢表層溫度升高,進而使得該處熱應力增大。通過對界面層厚度的優化,即減小了界面處熱應力,又不會對鎢表層區域的熱應力造成太大影響,在一定程度上可以彌補鎢基面向等離子體力學性能的不足。此外,為了改善鎢基材料的燒結特性和機械性能,本文采用真空熱壓燒結法(hotpressing, HP),制備了添加Ni、Nb、CNTs、TiC等不同燒結助劑的鎢基材料。探討燒結溫度(1400～1500℃)和燒結助劑對材料密度、微觀結構以及力學性能的影響。結果表明：所有鎢基材料的密度和維氏硬度隨燒結溫度的升高而增大；加入燒結助劑可以有效的降低燒結溫度,改善材料的致密性和力學性能。特別是1500℃燒結的W-1Nb-CNTs材料的致密度zui高達到了理論密度的98.6%,材料硬度也較大,但是彎曲強度較低。zui后,本文在1500℃制備了Nb含量分別為0.5%,1%,3%,5%的W-Nb-CNTs材料,并對材料的密度、室溫力學性能以及高溫力學性能進行測試。通過對測試結果的對比分析,本文發現W-Nb-CNTs材料的維氏硬度、彎曲強度以及斷裂韌性均隨著Nb含量的增多而顯著增大,這是由于增加Nb含量能夠細化晶粒并形成定向分布的Nb(W)固溶體所導致的。此外,Nb含量的增加也有助于改善材料的抗氧化性,提高材料的高溫強度和韌性。綜合考慮Nb含量對W-Nb-CNTs材料室溫、高溫力學性能的影響,確定W-Nb-CNTs材料中的Nb含量為3%。
在400MPa壓力下壓制,于910℃、H2氣中燒結1h,獲得了組織結構不同于鑄造材料、可在910℃下進行擴散焊和熱處理、用于制造柱塞液壓泵雙金屬轉子的F10-2-3材料(本單位命名);分析了成分相同、制備工藝不同的兩種10-2-3材料在910℃下擴散焊接,前者材料不變形,后者異常膨脹的機理;本研究材料在910℃與鋼擴散焊接,雙金屬擴散焊接的抗拉強度達到260 MPa。模擬柱塞孔的脫出試驗,有色層脫出力達到19.2kN/cm2,可從根本上解決柱塞液壓泵雙金屬產品結合力差的問題。
銅合金在海洋環境中以均勻腐蝕為主，其中以全浸zui重、潮差次之、飛濺zui輕。隨暴露時間的增加，平均腐蝕速度降低。在泥沙沖擊腐蝕條件下，多數銅合金腐蝕速度增大。ＨＡｌ７７－２Ａ板在全浸和潮差區顯示出*的耐蝕性。半硬態ＱＳｎ６．５－０．１合金板材在全浸區的腐蝕速度較低，特別是對泥沙沖擊腐蝕不敏感。隨著暴露時間增加，抗海洋生物附著能力亦降低，死亡海洋生物腐爛產生的硫化物引起嚴重局部腐蝕。雙相黃銅腐蝕速度高于單相黃銅。ＢＦｅ３０－１－１管組織不均勻導致晶間腐蝕。由于殘余應力影響，管材腐蝕速度大于板材。多數銅合金腐蝕速度與時間關系服從冪函數規律。
采用旋轉圓桶沖刷腐蝕試驗機,利用多種電化學測試手段,結合表面分析、失重測量研究了B10銅鎳合金流動海水沖刷腐蝕、成膜過程和膜層的電化學信息,探討了流速及腐蝕時間對成膜過程的影響.結果表明,B10合金在0、1、2、3、3.6、4m/s的試驗流速海水中的腐蝕速度隨著腐蝕時間的變化規律相似,在靜止和流動海水中都會生成內、外雙層保護性的腐蝕產物膜,隨著流速增加,產物膜因受流體力學作用增大而被沖刷削薄;腐蝕反應陽極區隨海水流速和時間變化較大,腐蝕受陽極反應和傳質過程控制。
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