碳及钨面向等离子体材料与金属热沉的连接研究

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碳及钨面向等离子体材料与金属热沉(包括Cu合金和钢)的连接是核聚变装置中面向等离子体部件制备的关键技术。但是,碳及钨与热沉材料的物性参数相差较大,导致连接面临一定的困难。本论文主要采用Cu-22TiH2焊料连接石墨/CuCrZr、W/CuCrZr及W/301不锈钢(SS301),对接头的性能和界面微观结构进行分析,探讨接头界面演变过程,为碳及钨面向等离子体部件的制备提供技术参考。采用Cu-22TiH2焊料并在其中添加Cu箔连接石墨/CuCrZr合金时,焊料与石墨母材发生界面反应形成了Ti C反应层,焊料与Cu箔和CuCrZr母材之间发生了互扩散;接头结构组成为石墨/TiC反应层/Cu基固溶体(Cu(s,s))+Ti-Cu金属间化合物/Cu中间层/Cu(s,s)+Ti-Cu金属间化合物/CuCrZr。接头平均剪切强度为石墨母材强度的95%,说明焊料中添加的Cu箔可以有效缓解接头的部分残余热应力,从而提高接头性能。采用Cu-22TiH2焊料连接W/CuCrZr时,W与焊料之间未发生互扩散和界面反应,焊料层主要由Cu(s,s)以及TiCu4、TiCu和Ti2Cu等金属间化合物组成。接头的显微硬度测试结果表明,连接后W母材的硬度为463 HV0.1,与连接前保持不变;CuCrZr的平均显微硬度为80 HV0.1,低于连接前的硬度,主要由于连接过程中发生了再结晶和晶粒长大;焊料层的显微硬度为133±17 HV0.1,介于Cu和Ti-Cu金属间化合物之间。采用Cu-22TiH2焊料连接W与SS301时,连接区域中焊料层主要由Cu(s,s)、Ti-Cu和(Fe,Cr)2Ti相等组成。此外,靠近SS301母材侧形成了σ相层,σ相层与焊料层之间形成波浪状的(Fe,Cr)2Ti层。W/SS301接头的显微硬度结果表明,SS301母材在热处理过程中发生了再结晶以及晶粒长大,导致其显微硬度值在连接之后下降至275HV0.1;连接区域中焊料层的显微硬度为358±8 HV0.1,(Fe,Cr)2Ti层的显微硬度为475±22 HV0.1,而σ相层的显微硬度值最高,达到571±23 HV0.1。采用Cu-22TiH2焊料连接W/CuCrZr和W/SS301时,接头强度均较高,平均剪切强度均高于95 MPa,说明该焊料与钨及热沉母材的结合较好,在钨面向等离子体部件的制备中具有潜在的应用前景。
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