鎢鉻鋯銅合金電子束釺焊快速連接法

傳統的托卡馬克裝置主要基於短脈衝等離子體和兩次放電之間緩慢除熱的概念設計的，這就允許簡單的設計解決方案，不需要面向等離子體材料與熱沉材料緊固互聯。而長脈衝的裝置，就需要等離子體放電過程中的主動除熱，從而避免材料出現過熱，因而需要面對等離子體材料和熱沉之間的緊密配合。

大型的聚變實驗堆，如ITER和未來的聚變商用示範堆DEMO，由於非常高的壁負載，要求第一壁和偏濾器部件 (通常採用模組結構以方便維護)有優良的熱祛除能力和模組在聚變環境中的安全性和穩定性，這樣必須發展具有主動冷卻的面向等離子體部件。

由於鎢和鎢合金被認為是未來最有希望的面對等離子體材料，鉻鋯銅合金具有優良的高溫性能而被認為是目前最佳的熱沉材料，發展帶主動水冷結構的具有冶金結合的W/CuCrZr部件技術，可以應用於聚變裝置的第一壁和偏濾器位置。

鎢鉻鋯銅合金的連接技術包括釺焊、爆炸焊、熱壓焊、熱等靜壓焊和塗層技術等等多種連接方法。真空釺焊技術工藝簡單並且可以大大降低成本，是目前應用較多的W/CuCrZr連接技術，真空釺焊需要對塊體整體加熱，且在高溫需要停留較長的時間，從而會導致CuCrZr合金晶粒長大、力學性能下降，通過快速冷卻可以恢復鉻鋯銅合金的力學性能；但是由於釺焊時間較長，銅合金晶粒長大不能消弱。

為了解決這一麻煩，有學者提出一種鎢鉻鋯銅合金電子束釺焊快速連接法，在真空環境下利用掃描電子束實現對材料的局部加熱，從而實現電子束釺焊。具體實驗過程如下：

工業純鎢與CuCrZr合金連接，試樣尺寸分別為40×40×6mm³和40×40×25mm³，連接工藝如下：

(1)純鎢和CuCrZr合金待焊表面預處理，祛除表面的雜質、油污和氧化膜。采320 號、600號、800號和1200號砂紙對試件被焊表面逐級打磨，然後用丙酮對待焊表面進行去油污處理，無水乙醇超聲波清洗，脫水乾燥。選用CuMn合金作為釺料：Cu含量74wt.％，Mn含量 25wt.％，Ni含量1％，厚度為150μm；利用1200目砂紙打磨釺料表面，去掉氧化膜，然後無水乙醇超聲波清洗，脫水乾燥。

(2)將鎢和銅合金進行裝配，鎢塊在上，釺料平鋪中間，銅合金塊在下；然後固定在電子束真空室內的銅冷卻臺上，工作真空度5×10-3Pa；利用散焦電子束均勻加熱鎢塊表面， 加速電壓120kV，束斑直徑2mm，掃描頻率為5kHz，束流5-12mA；通過紅外熱像儀和紅外測溫儀監測鎢表面溫度，通過逐漸載入電子束電流，鎢表面溫度最高達到1050℃，最終控制在980℃，並在980℃保溫30s；通過熱電偶監測銅合金的塊體溫度，在銅合金塊離焊接介面5mm 處的熱電偶記錄的溫度，銅合金在保溫過程中溫度變化為930-950℃。

(3)焊接完畢，銅冷卻台通冷卻水對焊接試樣進行快速冷卻，在溫度高於600℃，釺焊塊的冷卻速度大於100℃/min；然後利用電子束對焊試樣加熱，在480℃保溫1h；時效完畢，冷卻至室溫，取出焊接樣。

與傳統工藝相比，電子束釺焊快速連接方的法焊接時間短，銅合金在溫度高於600℃的溫度區間不超5min，因此可以有效的消弱母材晶粒長大，並且通過快速冷卻和時效處理可以 恢復CuCrZr合金的力學性能。利用該方法製備的鎢銅塊，銅合金的強度和硬度與固溶時效態銅合金一致，晶粒尺寸相當。所製備的銅複合塊，焊縫介面結合完好，沒有孔隙、夾雜、裂紋等缺陷，並具有良好的結合性能和熱負荷性能，能夠承受6～10MW/m2的穩態熱負荷。

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