[发明专利]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

说明书

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：