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。     

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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.     

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。     

ITER第一壁实验件的铍-铜连接界面分析

在ITER第一壁实验件的研究中,采用热等静压扩散连接技术对Be与Cu Cr Zr合金进行连接实验,对完成扩散连接的部分连接件采用退火处理。对所有连接件进行超声波无损探伤后,检测到未退火的连接件Be/Cu连接界面存在缺陷。为分析扩散界面缺陷产生原因,从连接件的无缺陷区取样并进行界面微观分析。通过观察微观形貌和分析界面扩散层合金元素的变化,发现退火处理过的Be-Cu扩散界面的Cu-Ti扩散层和未扩散的Ti层厚度增加,中间层中Be与Cu元素形成脆性相的几率降低,整个扩散层厚度变大,扩散范围加大。实验表明退火工艺能改变Be/Cu热等静压扩散层连接结构组成,扩大扩散连接范围。     

ITER第一壁实验件的铍-铜连接界面分析

在ITER第一壁实验件的研究中,采用热等静压扩散连接技术对Be与CuCrZr合金进行连接实验,对完成扩散连接的部分连接件采用退火处理。对所有连接件进行超声波无损探伤后,检测到未退火的连接件Be/Cu连接界面存在缺陷。为分析扩散界面缺陷产生原因,从连接件的无缺陷区取样并进行界面微观分析。通过观察微观形貌和分析界面扩散层合金元素的变化,发现退火处理过的Be-Cu扩散界面的Cu-Ti扩散层和未扩散的Ti层厚度增加,中间层中Be与Cu元素形成脆性相的几率降低,整个扩散层厚度变大,扩散范围加大。实验表明退火工艺能改变Be/Cu热等静压扩散层连接结构组成,扩大扩散连接范围。     

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。     

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。     

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介绍了目前解决W/Cu连接界面缓解热应力的方法——添加适配层。在对不同适配层进行分析后,选出最佳W/Cu适配层,再对W/Cu适配层进行结构优化分析,得出选用W/Cu功能梯度材料作为适配层具有足够的结合强度,而且良好的导热性能能有效地缓解热应力。此外,重点阐述了目前成功的制备的W/Cu功能梯度材料用作W/Cu第一壁材料的适配层的常用方法。最后,对W/Cu功能梯度材料用作适配层解决W/Cu第一壁材料连接界面的问题做出了总结和展望。     

ITER第一壁铍-铜界面缺陷的热应力及弹塑性结构分析

为保障第一壁板铍/铜连接的性能满足ITER运行要求,需通过高热负荷疲劳试验评估缺陷的影响,确定可接受的缺陷尺寸、形状、位置等。针对该试验用增强热负荷(EHF)第一壁小模块,通过温度场及弹塑性结构分析,研究试验工况下铍/铜界面预制人工缺陷对模块性能的影响。分析结果表明,缺陷位置和尺寸都会对缺陷附近的弹塑性应变产生直接影响,从而影响模块的热疲劳性能;缺陷越大,影响范围越大;边缘型缺陷的影响远大于中心位置缺陷。     

ITER屏蔽包层第一壁人工缺陷模块热传导计算与分析

设计了3个外形一致的模块,其中两个在铍铜界面处预制有不同尺寸、形状和位置的缺陷,另一个是无缺陷的完整模块。通过有限元计算方法,分析了预制缺陷对温度分布的影响。通过无缺陷的完整模块的传热分析,评估有效的缺陷位置区域,计算了不同尺寸、形状、位置的缺陷的温度分布;根据对热传导基本公式中的各个量分别进行研究,并通过比较各种因素,得到了缺陷影响铍和铜合金界面温度的主要因素。     

High Heat Flux Tests of Small-scale Be/Cu Mock-ups for ITER

High temperature HIP joining technology of Be/CuCrZr alloy or DS-Cu has been applied by Europe and Japan for the frabrication of ITER first wall. At the first stage of our research, high temperature HIP joining of Be/CuCrZr alloy was investigated by referencing their successful experience and Ti was selected as interlayer. Since the first wall will receive high heat flux during ITER operation, the heat load resistance capabilities, in particular thermal fatigue property is a crucial criterion of FW mock-ups. In order to test the heat load resistance capabilities of Be/CuCrZr joints, an electron beam heat load facility with beryllium handling capability has been constructed and heat removal performances and thermal cycling tests of Be/CuCrZr joints were carried out.     

ITER偏滤器钨/铜穿管模块的高热负荷测试及事后分析

对ITER偏滤器钨/铜穿管模块进行了高热负荷测试。测试结果表明,所有的模块都成功承受住了热负荷测试并满足了IO的要求。在高热负荷测试后,对模块进行了事后分析。发现了钨的纵向开裂和Cu/CuCrZr界面的开焊现象。断口的SEM图像表明,钨的开裂方式为脆性的沿晶开裂。通过金相学分析,发现了钨的再结晶现象和钨表面的再结晶深度。还通过有限元分析软件模拟得到了模块的温度分布,并且与实验观察的再结晶现象能够很好的对应。     

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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.     

ITER校正场线圈剪切销氧化铝涂层低温绝缘性能研究

采用大气等离子喷涂方法在316LN不锈钢剪切销表面喷涂了Al₂O₃+3%TiO₂绝缘涂层,采用NiAl作为粘结层,得到了性能优良的绝缘保护涂层。按照ITER实际运行环境,采用ANSYS分析方法对剪切销进行应力分析,并在低温(液氮,77K)环境下对剪切销加载后进行循环往复摩擦磨损试验。循环5000、10000以及30000周后采用2点和3点法分别测定了涂层的表面电阻和体积电阻,剪切销表面电阻率均大于10⁹Ω•m^-2,体积电阻率均大于10¹⁰Ω•m,表明涂层具有较高的绝缘电阻,满足ITER所需工程条件。