钨铬锆铜合金电子束钎焊快速连接法

传统的托卡马克装置主要基于短脉冲等离子体和两次放电之间缓慢除热的概念设计的，这就允许简单的设计解决方案，不需要面向等离子体材料与热沉材料紧固互联。而长脉冲的装置，就需要等离子体放电过程中的主动除热，从而避免材料出现过热，因而需要面对等离子体材料和热沉之间的紧密配合。

大型的聚变实验堆，如ITER和未来的聚变商用示范堆DEMO，由于非常高的壁负载，要求第一壁和偏滤器部件 (通常采用模块结构以方便维护)有优良的热祛除能力和模块在聚变环境中的安全性和稳定性，这样必须发展具有主动冷却的面向等离子体部件。

由于钨和钨合金被认为是未来最有希望的面对等离子体材料，铬锆铜合金具有优良的高温性能而被认为是目前最佳的热沉材料，发展带主动水冷结构的具有冶金结合的W/CuCrZr部件技术，可以应用于聚变装置的第一壁和偏滤器位置。

钨铬锆铜合金的连接技术包括钎焊、爆炸焊、热压焊、热等静压焊和涂层技术等等多种连接方法。真空钎焊技术工艺简单并且可以大大降低成本，是目前应用较多的W/CuCrZr连接技术，真空钎焊需要对块体整体加热，且在高温需要停留较长的时间，从而会导致CuCrZr合金晶粒长大、力学性能下降，通过快速冷却可以恢复铬锆铜合金的力学性能；但是由于钎焊时间较长，铜合金晶粒长大不能消弱。

为了解决这一麻烦，有学者提出一种钨铬锆铜合金电子束钎焊快速连接法，在真空环境下利用扫描电子束实现对材料的局部加热，从而实现电子束钎焊。具体实验过程如下：

工业纯钨与CuCrZr合金连接，试样尺寸分别为40×40×6mm³和40×40×25mm³，连接工艺如下：

(1)纯钨和CuCrZr合金待焊表面预处理，祛除表面的杂质、油污和氧化膜。采320 号、600号、800号和1200号砂纸对试件被焊表面逐级打磨，然后用丙酮对待焊表面进行去油污处理，无水乙醇超声波清洗，脱水干燥。选用CuMn合金作为钎料：Cu含量74wt.％，Mn含量 25wt.％，Ni含量1％，厚度为150μm；利用1200目砂纸打磨钎料表面，去掉氧化膜，然后无水乙醇超声波清洗，脱水干燥。

(2)将钨和铜合金进行装配，钨块在上，钎料平铺中间，铜合金块在下；然后固定在电子束真空室内的铜冷却台上，工作真空度5×10-3Pa；利用散焦电子束均匀加热钨块表面， 加速电压120kV，束斑直径2mm，扫描频率为5kHz，束流5-12mA；通过红外热像仪和红外测温仪监测钨表面温度，通过逐渐加载电子束电流，钨表面温度最高达到1050℃，最终控制在980℃，并在980℃保温30s；通过热电偶监测铜合金的块体温度，在铜合金块离焊接界面5mm 处的热电偶记录的温度，铜合金在保温过程中温度变化为930-950℃。

(3)焊接完毕，铜冷却台通冷却水对焊接试样进行快速冷却，在温度高于600℃，钎焊块的冷却速度大于100℃/min；然后利用电子束对焊试样加热，在480℃保温1h；时效完毕，冷却至室温，取出焊接样。

与传统工艺相比，电子束钎焊快速连接方的法焊接时间短，铜合金在温度高于600℃的温度区间不超5min，因此可以有效的消弱母材晶粒长大，并且通过快速冷却和时效处理可以 恢复CuCrZr合金的力学性能。利用该方法制备的钨铜块，铜合金的强度和硬度与固溶时效态铜合金一致，晶粒尺寸相当。所制备的铜复合块，焊缝界面结合完好，没有孔隙、夹杂、裂纹等缺陷，并具有良好的结合性能和热负荷性能，能够承受6～10MW/m2的稳态热负荷。

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