[发明专利]钨电阻管发热体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于反应堆工程技术领域，具体涉及一种用于反应堆堆外发电试验的钨电阻管发热体的制备方法。

背景技术

某高温反应堆电源燃料元件研制阶段的堆外发电试验中需要采用钨电加热器作为释热部件，以模拟核燃料活性区温度场的释热工况。其中钨电阻管发热体是钨电加热器的关键高温部件，也是钨电加热器制造工艺中最复杂和最重要的部分。钨电阻管发热体为圆周开有电阻槽的小径薄壁钨管结构，直径只有十几个毫米，壁厚只有0.3～0.5mm，另外还要在圆周上开电阻槽。如某一高温反应堆所需的钨电阻管发热体的直径为14mm，壁厚只有0.4mm，为了增加电阻值，需要在钨管表面沿轴向加工出126道宽度为0.3mm的电阻槽，每条电阻槽沿圆周平均分成三段，每段之间留有2mm的连接段，相邻两条电阻槽之间沿圆周互错60°角度，间距2mm。由于钨材料的熔点高，硬度和脆性都极大，无法用常规的机械加工方法实现切削，因此，结构的复杂性和材料的特殊性给钨电阻管发热体的制造带来极大的难度，钨电阻管发热体的制备方法是国际上公认的难题。

传统的钨管制造方法包括挤压法、拉拔法、旋压法、钨板卷接、粉末冶金、气相沉积等。

挤压法是指将加热后的管坯放入挤压筒中，在挤压筒的一端放置挤压模，另一端施加以压力，迫使金属从模孔中流出，使其产生断面减缩、长度增加的塑性变形方法。

拉拔法是指在外力作用下，迫使金属坯料通过模孔，以获得相应形状、尺寸制品的塑性加工方法。经挤压和退火之后进行钨管的拉拔，一般使用可变形芯棒的双金属拉伸法，该法拉伸钨管时钨管的直径及壁厚可同时压缩变形，但管材壁厚不均。

旋压法是将空心坯料固定在旋压机的模具上，在坯料随机床主轴转动的同时，用旋轮加压于坯料，使之产生局部的塑性变形，在旋轮的进给运动和坯料的旋转运动共同作用下，使局部的塑性变形逐步扩展到坯料的全部表面，并紧贴于模具，完成管件的旋压加工。目前在辊轮式或钢球式热旋压机上已生产出直径为9～12mm、壁厚为0.25～0.3mm、长度超过600mm的无缝钨管，旋压钨管时变形抗力大，选择合适的芯棒材质是钨管旋压技术的关键，必须设法防止旋压过程中芯棒软化。

钨板卷接法制取钨管发热体易出现钨板大量开裂报废，收得率低，卷成的管子形状不圆，管子的径向强度差等问题。此外，卷管用钨板的壁厚公差虽然能严格控制，但卷接后由于焊缝的影响，管子壁厚的均匀性不理想。

粉末冶金法制得钨制品组织不致密、易产生针孔，而且冷压生坯相对密度仅为60％～65％，后续高温烧结过程中体积收缩高达30％～40％，导致薄壁或复杂形状零部件产生严重变形、开裂或崩塌等问题。而物理气相沉积等方法则生产周期长、成形效率低，加工成本十分昂贵。

化学气相沉积是一种制备材料的气相生长方法，它是把一种或几种化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜或涂层的工艺技术。

上述方法均没有公开如何制备钨管尤其是钨电阻加热管的方法。

发明内容

(一)发明目的

根据现有技术所存在的问题，本发明提供的了一种钨电阻管纯度高、应力小、切割工艺精细、操作简单的钨电阻管发热体的制备方法。

(二)技术方案

为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供的技术方案如下：

钨电阻管发热体的制备方法，该方法是利用化学气相沉积和电火花线切割结合的方法对钨电阻管发热体进行制备，其包括以下步骤：

(1)基体管的选择及表面预处理

选用壁厚为0.8～1mm的紫铜管作为基体管，紫铜管的长度大于所需钨电阻管发热体的长度，其中紫铜管的中间部分用以化学气相沉积钨涂层；紫铜管中间部分的外径与所需钨电阻管的内径一致且紫铜管两端的外径大于中间部分的外径；

(2)化学气相沉积钨涂层

将整个紫铜管竖直立于已经抽真空的化学气相沉积装置内，然后通入WF₆和H₂气体进行还原反应，在紫铜管外表面沉积出高纯钨涂层，其中钨涂层的厚度大于待制备的钨电阻管的厚度，得到钨-紫铜复合管；

该化学气相沉积过程采用内加热的方法，在紫铜管内部穿入电加热丝以对紫铜管外表面加热，且控制紫铜管外表面的温度为490～680℃；

(3)钨-紫铜复合管的精密加工

将步骤(2)得到的钨-紫铜复合管按照所需长度切割，然后以紫铜管的内圆为基准，穿入支撑芯棒，将两端内孔同心装卡固定，利用氧化铝砂轮对钨-紫铜复合管件的钨管外圆进行精细研磨，达到钨电阻管对壁厚的要求；