Cu/CuCrZr连接用Cu基固溶体钎料合金研究

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目前,国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)正处于建造阶段,我国的环流二号(HL-2M)和全超导托卡马克核聚变实验装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)分别处于研发建造和升级改造阶段。偏滤器是磁约束核聚变堆的关键部件,在装置运行期间承受高热负荷和高能量粒子辐照,处于极端苛刻的服役环境。偏滤器主要由面向等离子体材料(plasma-facing materials,PFMs)和热沉材料(heat-sink materials,HSMs)连接而成。根据偏滤器的设计参数不同,目前聚变装置中主要PFMs候选材料为W和碳纤维增强石墨(carbon-fiber reinforced carbon,CFC),CuCrZr合金是主要的HSMs。由于PFMs和HSMs之间的热膨胀系数差异大,目前二者采用的最有效的连接工艺为:先在PFMs表面活性浇铸厚度2mm的无氧Cu,作为热应力缓冲层,然后连接Cu和CuCrZr。因而,Cu/CuCrZr的有效连接对于偏滤器加工至关重要。Cu基固溶体钎料具有优良的热导率,适合偏滤器中Cu/CuCrZr的连接。但是,目前已知Cu/CuCrZr连接用的Cu基固溶体钎料均存在以下缺点:焊接温度均高于950℃,远高于CuCrZr合金的过时效温度500℃,焊后CuCrZr力学性能严重劣化;焊接工艺复杂,不适合具有复杂几何形状的偏滤器结构制造。针对Cu/CuCrZr的有效连接问题,本文结合钎焊的独特优势,设计和制备了具有高塑性、较低熔点的Cu基固溶体钎料用于Cu/CuCrZr连接。主要研究结果如下:(1)以低熔点的Cu62Mn38(at.%)作为基础成分,通过添加适量的合金化元素Ga、Cr和Si,采用真空电弧熔炼制备合金锭。并结合冷轧和热分析方法,设计、开发出以Cu62Mn31Ga6Cr0.5Si0.5(at.%)为代表的高塑性、低熔点的Cu-Mn-Ga-Cr-Si系列固溶体合金新钎料;(2)Cu62Mn31Ga6Cr0.5Si0.5新钎料通过冷轧处理,可获得厚度小于100μm的连续带材。这克服了传统Cu-Mn基固溶体钎料塑性差的不足,不仅提高了钎料的加工性能,也利于后续钎焊工艺的简化。(3)Cu62Mn31Ga6Cr0.5Si0.5新钎料呈现单峰熔化模式,其熔化开始和结束温度分别为826℃和852℃,熔化区间为26℃。以其为钎料进行不同工艺参数的钎焊实验,在880℃下保温25 min获得无孔洞和裂纹的高质量Cu/CuCrZr钎焊接头。钎缝宽度200-300μm;钎缝组织主要为Cu基固溶体相,其晶粒大小约50-60μm,晶界处有Cr、Si和Zr元素富集,可能形成了少量Cr3Si、Mn4Si和GaMn3型析出相;钎缝两侧母材中发现Ga、Mn元素,这是钎焊过程中钎料组元扩散所致。进一步显微硬度与力学性能测试表明:钎缝中心硬度较高,为175 HV,明显高于两侧母材(60-70 HV);钎焊接头的抗拉强度超过200 MPa,其断裂位置位于焊缝,断口内布满韧窝,呈现韧性断裂特征。该新型Cu基固溶体合金有望成为偏滤器PFMs与HSMs有效连接的候选钎料。
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