用于核聚变装置的W/Cu 穿管部件的制备与辐照性能研究

采用了两步热等静压法制备W/Cu 穿管部件,即先用热等静压(930℃,100MPa,2h)在钨块的孔内壁上覆一层无氧铜作为中间层,然后再用热等静压工艺(600℃,100MPa,2h)把W/Cu 复合块与CuCrZr 管串接起来。经过高热负荷辐照测试,部件经受住了1000 次10MW•m⁻² 高热负荷的辐照,满足使用要求。     

W/Fe/CuCrZr热等静压模块组织及性能分析

为实现面向等离子体材料钨(W)和热沉材料铜铬镐(CuCrZr)合金的可靠连接,对纯铁(Fe)作为W/CuCrZr合金热等静压连接中间层的可行性进行了探索性研究。在850℃/150MPa/135min的热等静压参数下制作了W/Fe/CuCrZr合金的实验模块,分别对连接界面进行了焊接界面、微观形貌、组织成分及剪切力学性能的检测分析。检测结果显示,两连接界面无明显缺陷,均发生了约0.5μm的短距离互扩散,且均未生成明显的反应相,连接界面呈现出较好的塑性,剪切强度大于186.5MPa。因此,纯铁作为中间层实现了W/CuCrZr合金的可靠连接。用ANSYS Workbench平台对模块进行的高热负荷下的瞬态传热模拟表明W/Fe/CuCrZr合金模块最高可承受16MW·m^-2的热负荷。     

W/RAFM 钢偏滤器靶板的结构分析与寿命预测

探究RAFM 钢作为偏滤器靶板热沉的替换材料，验证其在3 种不同工况下的结构强度并预测其在交变载荷下的疲劳寿命。得出3S_m 法则下W/RAFM 钢偏滤器靶板最大可承受热负荷为8MW·m⁻²。结合中国聚变工程实验堆(CFETR)的设计目标，如果以ITER 偏滤器两年运行周期为设计准则，最大承受热负荷为7MW·m⁻²。考虑到偏滤器靶板区域呈现高热负荷低中子辐照、挡板和DOME板区域低热负荷高中子辐照特性，可以采用W/Cu 和W/RAFM 双路偏滤器靶板的结构设计。     

HL-2M偏滤器CFC/CuCrZr靶板的非晶钎焊工艺研究

在采用商用的STEMET-1101非晶钎料、温度为710~750°C的真空钎焊下,对CFC/OFC(氯氟烃/无氧铜)复合块与CuCrZr(铬锆铜)的钎焊进行了研究。首先,通过X-射线衍射(XRD)和差式扫描量热分析对钎料的结构和熔化行为进行了表征;然后,通过光学显微镜、电子探针微分析和拉伸试验等方法对焊缝的组织形貌、元素成分分布、相结构和力学性能进行了分析;最后,通过高热负荷装置对CFC/OFC/CuCrZr钎焊模块的热疲劳性能进行测试。结果表明,在710~750°C钎焊温度内焊缝由Cu固溶体、(Cu, Ni)3P和Ni(Cu ,Cr)2P金属间化合物组成,焊缝平整无裂纹;特别是在750°C/15min情况下,抑制了焊缝金属间化合物的连续分布,OFC/CuCrZr的焊接强度大于OFC的抗拉强度,CuCrZr/CuCrZr的结合强度为210MPa,并呈现部分韧性断裂。在750°C/15min情况下制备的CFC/Cu/CuCrZr模块可以承受1000次7MW·m^-2的循环热负荷。     

热等静压对NbTi/Cu多芯超导线加工过程的影响

采用传统方法生产的NbTi/Cu多芯超导线在生产芯数较多的超导线时存在填充系数较大的问题,这直接影响了芯丝的整齐排布,所以组装完成后加入热等静压过程.研究了经过热等静压和未经过热等静压的NbTi/Cu多芯超导线的加工性能.经过试验证明,经过100～150MP,2小时热等静压处理的NbTi/Cu多芯超导线坯锭在加工过程中具有良好的加工性能,提高了超导线复合坯锭的成品率;而未经过热等静压处理的NbTi/Cu多芯超导线坯锭加工性能较差,坯锭内部缺陷较多.     

调幅W(Mo)/Cu纳米多层膜He+离子辐照响应行为

用磁控溅射技术制备不同调幅波长 (L) 的W(Mo)/Cu纳米多层膜,所制膜系在60 keV氦离子 (He⁺) 辐照条件下注入不同剂量: 0, 1×10¹⁷ He⁺/cm², 5×10¹⁷ He⁺/cm². 用X射线衍射仪 (XRD) 和高分辨透射电子显微镜(TEM)表征W(Mo)/Cu纳米多层膜辐照前后微观结构. 研究结果表明: 1) He⁺离子轰击引起温升效应是导致沉积态亚稳相β-W 转变成稳态 α-W相的主因, 而与调幅波长无明确关联; 2) 纳米多层结构中W(Mo) 和Cu膜显现出的辐照耐受性与调幅波长相关, 调幅波长越小, 抗He⁺的辐照性能越强; 3) 在5×10¹⁷ He⁺/cm²注入条件下, 观察到He团簇/泡在纳米结构W(Mo) 和Cu膜中的积聚行为存在明显差异: 在W (Mo) 膜中He团簇/泡的分布与晶粒取向相关, He团簇/泡倾向于沿W (211) 晶面分布; 而Cu膜非晶化且He团簇/泡在其体内呈均匀分布. 关键词： W(Mo)/Cu纳米多层膜 +辐照')" href="#">He⁺辐照 He团簇/泡 相转变     

高功率毫米波辐照鼠疼痛阈值及应激反应

 高功率8 mm波辐照时，大小鼠均产生热应激反应，依次经历平静期、警戒期、相持期和衰竭期。鼠的热痛阈值温度为(43.1±1.8) ℃，这一阈值与鼠的质量、初始温度、辐照功率密度等无关。 辐照3 s时：辐照功率密度为3.5 W/cm2时体表温升为(8.4±1.0) ℃；辐照功率密度为7.0 W/cm2时温升为(21.1±3.0) ℃。实验还测定了警戒期持续时间，结果表明动物应激反应的剧烈程度与警戒期持续时间相关。建立了小鼠警戒期持续时间与小鼠体表面积、有效辐照面积、辐照功率密度之间的关系，并将这一实验结果推广到大鼠。     

ITER第一壁模块Be/Cu连接界面的热疲劳损伤分析

采用热等静压扩散连接技术并通过添加Ti/Cu中间过渡层实现了Be与CuCrZr合金之间的可靠连接,所制作的ITER第一壁小模块已通过高热负荷疲劳试验。对试验后的小模块进行了超声波无损探伤,发现界面多处存在大尺寸缺陷。介绍了高热负荷疲劳试验后模块的破坏性检测与分析,结合对缺陷界面的金相观察、SEM观察及EDS分析方法,确定了缺陷形成的主要原因。     

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采用热等静压扩散连接技术并通过添加Ti/Cu中间过渡层实现了Be与CuCrZr合金之间的可靠连接,所制作的ITER第一壁小模块已通过高热负荷疲劳试验.对试验后的小模块进行了超声波无损探伤,发现界面多处存在大尺寸缺陷.介绍了高热负荷疲劳试验后模块的破坏性检测与分析,结合对缺陷界面的金相观察、SEM观察及EDS分析方法,确定了缺陷形成的主要原因.     

强流脉冲离子束辐照对金属玻璃Zr_(53)Al_(23.5)Cu_(5.9)Co_(17.6)结构和性能的影响北大核心CSCD

利用强流脉冲离子束(High Intensity Pulsed Ion Beam,HIPIB)模拟核聚变装置中的瞬态高热负荷环境,离子束成分为C^(n+)(70%)和H^+(30%)、加速电压为250 k V,研究金属玻璃Zr_(53)Al_(23.5)Cu_(5.9)Co_(17.6)和金属W在不同参数的HIPIB辐照下结构和性能的变化规律以及损伤行为。XRD显示辐照后金属玻璃均保持非晶相为主要结构,金属W中有应力产生。SEM观察在辐照次数为3和10次时金属玻璃和金属W表面都没有明显的辐照损伤现象;当辐照次数增加到100和300次后,金属玻璃表面出现了花瓣状形貌和小球,金属W表面则出现了裂纹。纳米压痕仪测量辐照后金属玻璃的表面纳米硬度随辐照次数的增加逐渐降低。Zr基金属玻璃具有较好的耐辐照性能,对HIPIB辐照时产生强的热应力的缓冲能力比金属W好。     

正火和回火处理过程中W/Fe/RAFM钢接头W/Fe界面组织和剪切性能的演化

对热等静压(HIP)扩散焊制备的W/Fe/RAFM钢接头进行了正火和回火处理,以恢复其中RAFM钢的 组织和性能。采用电子探针微分析器(EPMA)和掠入射X射线衍射(GIXRD)对W/Fe界面组织的演化进行了分析,采 用剪切测试和扫描电镜(SEM)对接头连接性能的演化进行了测试和分析。结果表明,正火处理后,RAFM钢中的C 元素扩散到了W/Fe界面,Fe₂W相中W和C元素含量增加,这导致了接头剪切强度增加,而纯铁中间层强度的增加 则导致了接头剪切位移下降。回火处理后,W/Fe界面形成了W/Fe₂W/Fe₃W₃C/Fe的界面结构,回火态接头Fe₂W相 的成分和纯铁中间层强度与HIP态接头基本相同,因此回火态接头室温剪切性能基本与HIP态接头一致。     

退火对钛/铜热等静压扩散连接界面的影响

钛/铜(Ti/Cu)作为ITER 第一壁Be/CuCrZr 热等静压连接中间过渡层,形成了多层中间金属相结构,容易在Ti/Cu 金属相之间产生裂纹等缺陷。采用CuCrZr 代替Be,经过与Be/CuCrZr 相同的热等静压工艺,制作了多个CuCrZr/Ti/Cu/CuCrZr 连接件,对Ti/Cu 连接接头进行深入分析。对连接件分别进行未退火、400℃和500℃ 退火处理,去应力退火后对接头强度和缺陷分布的影响进行了研究。研究结果表明,中间钛层的两侧都形成了三层Ti/Cu 扩散层,分别为Cu₄Ti、CuTi 和CuTi₂。纯铜侧的Cu₄Ti 厚度比CuCrZr 侧的厚,使得裂纹几乎全部分布于铜侧的Cu₄Ti 与CuTi 交界处,拉伸样品极易在此处发生脆性断裂。随着退火温度升高,裂纹的产生和扩展减少。     

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As the ITER first wall Be/CuCrZr hot isostatic pressing (HIP) bonding intermediate transition layer, Ti/Cu layer can form a multi-layer intermediate metal phase, and defects such as cracks occur between the Ti/Cu metal phases. CuCrZr was used instead of Be, and a number of CuCrZr/Ti/Cu/CuCrZr joints were fabricated by the same HIP process as Be/CuCrZr to analyze the Ti/Cu joints. The effects of stress relief annealing on joint strength and defect distribution of the joints unannealed, annealed at 400°C and 500°C respectively were studied. The results show that three layers of Ti/Cu diffusion layers are formed on both sides of the intermediate titanium layer, namely Cu₄Ti, CuTi and CuTi₂. The thickness of Cu₄Ti on the pure copper side is thicker than that on the CuCrZr side, so that the crack is almost entirely distributed at the junction of Cu₄Ti and CuTi on the pure copper side where brittle fracture is easy to occur in the tensile samples. As the annealing temperature increases, the generation and propagation of cracks decreases.     

Microstructures and strengthening mechanisms of Cu/Ni/W nanolayered composites

Cu/Ni/W nanolayered composites with individual layer thickness ranging from 5?nm to 300?nm were prepared by a magnetron sputtering system. Microstructures and strength of the nanolayered composites were investigated by using the nanoindentation method combined with theoretical analysis. Microstructure characterization revealed that the Cu/Ni/W composite consists of a typical Cu/Ni coherent interface and Cu/W and Ni/W incoherent interfaces. Cu/Ni/W composites have an ultrahigh strength and a large strengthening ability compared with bi-constituent Cu–X (X?=?Ni, W, Au, Ag, Cr, Nb, etc.) nanolayered composites. Summarizing the present results and those reported in the literature, we systematically analyze the origin of the ultrahigh strength and its length scale dependence by taking into account the constituent layer properties, layer scales and heterogeneous layer/layer interface characteristics, including lattice and modulus mismatch as well as interface structure.     

聚变堆第一壁连续W/Cu 梯度材料的热工性能优化

针对不同体积分布指数p的W/Cu连续功能梯度材料的偏滤器第一壁结构,采用有限元软件计算了 8MW•m⁻²稳态运行热加载以及等离子体破裂条件下1GW•m⁻²热流冲击下的力学响应。相同稳态加载条件下,W/Cu 连续功能梯度材料的最优分布指数与分层梯度材料存在较大差异,其最优等效应力比分层梯度材料要小26%,表现出更优异的性能。在热冲击响应过程中,连续梯度W/Cu材料塑性损伤随p值不同也存在较大变化,其最优p值与其稳态运行时热应力最优p值存在一定差异,从第一壁应用条件考虑,应综合选取,最佳p值在1.2附近。综合来看,连续梯度W/Cu材料具有更连续变化的热物理属性及力学性能,在聚变堆第一壁结构设计中具有更大的应用潜力。     

Manufacturing near dense metal parts via indirect selective laser sintering combined with isostatic pressing

To fabricate metal parts via indirect selective laser sintering (SLS), isostatic pressing technology, including hot isostatic pressing (HIP) and cold isostatic pressing (CIP), are exploited to reform SLS green parts and make them near dense. The processes of SLS/HIP and SLS/CIP/HIP technologies are investigated respectively and the densification of AISI304 stainless steel specimens is mainly discussed. It is indicated that green parts made by indirect SLS can be pressed into near dense parts with the relative densities of 67.3% and more than 80% in SLS/HIP and SLS/CIP/HIP routes, respectively, and their densities rise if much higher CIP pressure is employed. Compared with SLS/HIP, SLS/CIP/HIP technology is regarded as a better method to manufactured dense parts, and it enlarges the application domain of indirect SLS simultaneously. PACS 81.20.Ev; 81.20.Hy; 81.40.Lm; 81.40.Vw     

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针对不同体积分布指数p的W/Cu连续功能梯度材料的偏滤器第一壁结构,采用有限元软件计算了8MW.m?2稳态运行热加载以及等离子体破裂条件下1GW.m?2热流冲击下的力学响应。相同稳态加载条件下,W/Cu连续功能梯度材料的最优分布指数与分层梯度材料存在较大差异,其最优等效应力比分层梯度材料要小26%,表现出更优异的性能。在热冲击响应过程中,连续梯度W/Cu材料塑性损伤随p值不同也存在较大变化,其最优p值与其稳态运行时热应力最优p值存在一定差异,从第一壁应用条件考虑,应综合选取,最佳p值在1.2附近。综合来看,连续梯度W/Cu材料具有更连续变化的热物理属性及力学性能,在聚变堆第一壁结构设计中具有更大的应用潜力。     

ITER第一壁模块Be/Cu连接失效分析

为了分析ITER第一壁模块试制过程中Be/Cu界面经热等静压扩散连接后出现的不可接受的大尺寸缺陷,对Be/Cu连接失效的模块进行了破坏性试验。首先采用线切割对模块进行解剖,并对连接界面缺陷区域及非缺陷区域通过金相观察、SEM观察及能谱分析进行对比,初步确定了界面连接的失效机理。