CN102922815B

CN102922815B - 水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件及其制作方法

Info

Publication number: CN102922815B
Application number: CN201210260306.1A
Authority: CN
Inventors: 赵四祥; 谢春意; 徐跃; 罗广南
Original assignee: Institute of Plasma Physics of CAS
Current assignee: Institute of Plasma Physics of CAS
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: CN102922815A

Abstract

本发明公开了一种水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件及其制作方法，包括有三层结构，三层结构自下至上依次为热沉、适配层、面向等离子体材料，热沉采用沉淀硬化的CuCrZr合金材料，适配层采用厚度为1-3 mm低氧含量高纯软铜材料OFHC-Cu，面向等离子体材料采用厚度为1-4 mm的化学气相沉积钨涂层CVD-W，OFHC-Cu表面预毛化处理提高结合强度，热沉中开有通孔作为冷却水通道，冷却水通道中通有循环水。本发明提出的是一种低成本、高冷却效率和可靠性强的PFC方案，可应用于聚变装置中正常运行时热负荷相对较低（稳态热流＜5 MW/m²）的面向等离子体区域。

Description

水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件及其制作方法

技术领域

本发明涉及聚变装置面向等离子体部件（Plasma-facing component, PFC）领域，具体涉及一种水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件。

背景技术

钨材料具有高熔点、高溅射阈值、高热导率、低蒸气压、低氢同位素滞留等优良特性，因此是一种重要的面向等离子体材料。对于聚变装置长脉冲正常运行时热负荷较低（稳态热流＜5 MW/m²）的区域，平板设计是一种可行且低成本的候选方案。为了达到高效散热的目的，PFC必须为主动冷却式。这可以通过在与钨部件良好结合的高强高导热铜基（如时效硬化的高强度CuCrZr合金）板状热沉中通入循环冷却液来实现。冷却方案的选择需依照PFC的热工水力设计。此外，为了使得整体结构具有较好的机械稳定性，铜合金热沉宜与起支撑作用的高强度金属结构材料良好连接。

但是，层状结构主动冷却PFC中的一个关键问题是铜热沉/钨材料界面的错配问题。钨材料热膨胀系数较低（室温下约为4.5×10^-6/K），而铜合金热膨胀系数较高（室温下约为16.6×10^-6/K），且由于铜合金强度较高不易塑性变形，那么在部件服役过程中，必将产生极大的热应力，可能导致铜热沉/钨材料界面开裂或钨材料表面开裂，降低PFC的服役可靠性。

目前有两种方案可用于解决上述问题：铜/钨功能梯度过渡层和软且韧的中间缓冲层（通常为低氧含量纯铜OFHC-Cu）。虽然铜/钨功能梯度过渡层目前已能通过较为巧妙的方法（如大电流阻抗烧结或热喷涂）制备，但由于钨铜之间熔点差异太大，大规模制备缺陷较小的铜/钨功能梯度层仍非常困难。从部件集成角度出发，无氧纯铜材料较功能梯度层更有优势。

OFHC-Cu板材（厚度约为1-3 mm）与板状CuCrZr热沉的连接技术有钎焊、爆炸焊和热等静压等多种连接方案。但值得注意的是，在连接过程中应当避免CuCrZr材料中沉淀相固溶导致强度大幅度下降。那么，在整个连接过程中，温度控制将是一个重要因素。此外，焊接后无氧铜表面应当平整以方便与钨连接。

对于钨区域，涂层是一个很好的方案，在成本方面具有很强的竞争力。截止目前，国内外对此已经进行了较多的研究，如大气/真空等离子体喷涂、离子液体（熔盐）电镀和化学气相沉积（CVD）等方法。等离子体喷涂方法制备的钨涂层往往孔隙率过高，且喷枪逐道扫描喷涂，速度较慢。而熔盐电镀方法制备的钨涂层虽然致密度很高，但因其制备温度很高，导致CuCrZr合金强度的大幅度降低。值得注意的是，虽然CuCrZr材料的强度可以通过后续的固溶时效热处理工艺恢复，但淬火应力可能导致部件的损坏，且时效工艺增加了PFC的成本。化学气相沉积利用如下化学反应

在500-600 ℃左右下进行沉积，不会导致CuCrZr材料强度的大幅度下降。目前工业上CVD-W涂层沉积速率可达到0.8 mm/h，致密度可达到99.6%，效率高，且加工性能较烧结钨优异。因此，CVD是一种非常具有竞争力的钨涂层工艺，可用于PFC部件的制备。

但是，由于钨和铜之间相互固溶度极低，单纯依靠化学冶金结合，则结合力很低，为了提高结合强度，需要引入机械结合。在OFHC-Cu表面通过喷砂或者激光毛化等方法可以提高表面粗糙度，而CVD过程中原子可以沉积在表面微沟槽之中，形成良好的机械咬合。

钨材料塑性很差，为了防止某处产生的裂纹向整块钨中扩展，并考虑减小电磁力的破坏效应，需要引入开槽结构，即利用网格结构的开槽把大片钨区域隔开成为若干个小块。对于CVD方案，开槽宜预先在沉积涂层之前进行，这样有利于避免由于钨涂层后续开槽加工引入对涂层的损坏。

发明内容：

为了解决面向等离子体材料和热沉材料错配较大的问题，本发明提出了一种以CuCrZr合金为热沉材料、以化学气相沉积钨（CVD-W）为面向等离子体材料、以低氧含量高纯铜（OFHC-Cu）为二者适配层的水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件及其制作方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件，其特征在于：包括有三层结构，所述的三层结构自下至上依次为热沉、适配层、面向等离子体材料，所述的热沉采用沉淀硬化的CuCrZr合金材料，所述的适配层采用厚度为1-3 mm低氧含量高纯软铜材料OFHC-Cu，所述的面向等离子体材料采用厚度为1-4 mm的化学气相沉积钨涂层CVD-W，所述的热沉中开有通孔作为冷却水通道，冷却水通道中通有循环水。

所述的热沉中的冷却水通道的端头焊接有CuCrZr合金材料的接头。

所述的热沉与冷却水通道的接头的焊接方式可以采用铜银焊、固态扩散焊。

所述的适配层与热沉无缺陷连接，连接方式可以采用热等静压焊接、叠层热轧、爆炸焊接。

所述的适配层的上表面横向、纵向分别开有多个弧形凹槽构成网格结构。

水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件的制作方法，其特征在于，包括以下内容：

（1）、选用厚度为20mm的高品质CuCrZr合金为热沉材料，室温抗拉强度＞280 MPa，室温屈服强度＞175 MPa；

（2）、对CuCrZr热沉板材表面电镀厚度为1-3 mm的纯铜，镀液配料为200 g/L的硫酸铜溶液和60 g/L硫酸混合液，电镀温度为15-35℃，电流密度控制在2-5 A/dm²,采用移动阴极并对镀液进行不间断搅拌和镀液补充；

（3）、对焊接后的CuCrZr/OFHC-Cu复合板材进行机械加工，包括：依照热工水力设计在CuCrZr热沉中钻孔加工冷却水通道；依照PFC总装设计，预先在CuCrZr热沉上加工接头；切掉OFHC-Cu中剩余部分使其厚度为1.5 mm然后依照PFC中钨涂层开槽方案的设计和布局，预先在OFHC-Cu表面加工凹槽并对整个表面进行喷砂或激光毛化处理；

（4）、对上述机械加工的CuCrZr/OFHC-Cu复合材进行钨涂层的CVD，沉积温度应该控制在550℃以下，此外，沉积过程中应当堵住冷却水通道端口以避免钨在冷却水通道内部沉积，CVD-W涂层的厚度为3 mm；

（5）、把CVD后的部件与接头和冷却系统进行连接组装。

本发明为了缓释在PFC服役中钨涂层与热沉之间产生的热应力，在二者之间引入软且韧的OFHC-Cu（厚度为1-3 mm）为中间适配层。适配层的引入技术包括热等静压扩散焊、爆炸焊和叠层轧制等方案。此外，考虑裂纹可能在钨涂层中大范围扩展和减小电磁力破坏效应及PFC整体制备工序，采用预先在已经连接在热沉上适配层表面按照设计机械加工过渡的凹槽形成网格，然后再化学气相沉积钨涂层CVD-W。

本发明的优点为：

本发明采用循环水冷却设计方案，使得本发明提出的PFC热耗散能力强。

本发明采用软且韧的OFHC-Cu为中间适配层，可大幅度减小PFC服役中产生的热应力。

本发明对钨涂层区域进行网格开槽设计，可有效降低涂层中裂纹大尺度扩展和电磁力破坏的概率。

综上所述，本发明提出了一种低成本、高冷却效率和可靠性强的PFC方案，可应用于聚变装置中热负荷相对较低的面向等离子体区域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为适配层上表面开槽截面示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件，包括有三层结构，三层结构自下至上依次为热沉4、适配层2、面向等离子体材料1，热沉4采用沉淀硬化的CuCrZr合金材料，适配层2采用厚度为1-3 mm低氧含量高纯软铜材料OFHC-Cu，面向等离子体材料1采用厚度为1-4 mm的化学气相沉积钨涂层CVD-W，热沉4中开有通孔作为冷却水通道3，冷却水通道3中通有循环水。

实施示例1：

1、选用高强度（室温抗拉强度＞280 MPa，室温屈服强度＞175 MPa）的厚度为20 mm的CuCrZr合金为热沉材料，厚度约为2 mm的OFHC-Cu板材为中间适配层。

2、对适配层和CuCrZr热沉采用真空包套封焊（气压＜0.1 Pa），然后在约530℃、气压＞100 MPa的氩气环境中进行热等静压固态扩散焊接，焊接时间为1 h。此外，为了避免CuCrZr热沉由于高温焊接而引起的力学性能降低，焊接过程中需控制温度不超过550℃。

3、对焊接后的CuCrZr/OFHC-Cu复合材进行机械加工，包括：去除表面包套；依照热工水力设计在CuCrZr热沉中钻孔加工冷却水通道并利用铜银焊技术连接冷却水接头；依照PFC总装设计，预先在CuCrZr热沉上加工支撑接头；依照PFC中钨涂层开槽方案的设计（如图2所示）和布局（以正方形网格为例，单个格子面积为1-9 cm²），预先在OFHC-Cu表面加工凹槽5连成网格结构并整体表面毛化。

4、对上述机械加工的CuCrZr/OFHC-Cu复合材进行钨涂层的CVD，沉积温度应该控制在550℃以下。此外，沉积过程中应当封堵冷却水通道以避免钨在冷却水通道内部沉积。CVD-W涂层的厚度为3 mm。

5、把CVD后的部件与接头和冷却系统进行连接组装。

实施示例2：

1、选用厚度为20 mm的高品质CuCrZr合金为热沉材料（室温抗拉强度＞280 MPa，室温屈服强度＞175 MPa）。

2、对CuCrZr热沉板材表面电镀厚度为1-3 mm的纯铜，镀液配料为200 g/L的硫酸铜溶液和60 g/L硫酸混合液，电镀温度为15-35 ℃，电流密度控制在2-5 A/dm²,采用移动阴极并对镀液进行不间断搅拌和镀液补充。

3、对焊接后的CuCrZr/OFHC-Cu复合板材进行机械加工，包括：依照热工水力设计在CuCrZr热沉中钻孔加工冷却水通道；依照PFC总装设计，预先在CuCrZr热沉上加工接头；切掉OFHC-Cu中剩余部分使其厚度为1.5 mm然后依照PFC中钨涂层开槽方案的设计（如图2所示）和布局（以正方形网格为例，单个格子面积为1-9 cm²），预先在OFHC-Cu表面加工凹槽5并整体表面毛化处理。

4、对上述机械加工的CuCrZr/OFHC-Cu复合材进行钨涂层的CVD，沉积温度应该控制在550℃以下。此外，沉积过程中应当堵住冷却水通道端口以避免钨在冷却水通道内部沉积。CVD-W涂层的厚度为3 mm。

5、把CVD后的部件与接头和冷却系统进行连接组装。

Claims

1.一种水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件，其特征在于：包括有三层结构，所述的三层结构自下至上依次为热沉、适配层、面向等离子体材料，所述的热沉采用沉淀硬化的CuCrZr合金材料，所述的适配层采用厚度为1-3 mm低氧含量高纯软铜材料OFHC-Cu，所述的面向等离子体材料采用厚度为1-4 mm的化学气相沉积钨涂层CVD-W，所述的热沉中开有通孔作为冷却水通道，冷却水通道中通有循环水。

2.根据权利要求1所述的水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件，其特征在于：所述的热沉中的冷却水通道的端头焊接有CuCrZr合金材料的接头。

3.根据权利要求1或2所述的水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件，其特征在于：所述的热沉与冷却水通道的接头的焊接方式可以采用铜银焊、固态扩散焊。

4.根据权利要求1所述的水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件，其特征在于：所述的适配层与热沉无缺陷连接，连接方式可以采用热等静压焊接、叠层热轧、爆炸焊接。

5.根据权利要求1所述的水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件，其特征在于：所述的适配层的上表面横向、纵向分别开有多个弧形凹槽构成网格结构。

6.水冷却平板层状CuCrZr/OFHC-Cu/CVD-W面向等离子体部件的制作方法，其特征在于，包括以下内容：

（5）、把CVD后的部件与接头和冷却系统进行连接组装。