[发明专利]一种结合激光选区熔化和热等静压技术制备钨基复合片的工艺方法

说明书

本发明提供一种结合激光选区熔化和热等静压技术制备钨基复合片的工艺方法，属于异种金属复合技术领域，包括如下关键技术步骤：1)所述钨基复合片由钨片和钨基复合层组成；2)所述钨片为轧制纯钨或者钨合金材料；3)在所述钨片上采用选区激光熔化的方式沉积钨基复合层，之后采用热等静压方法增进钨片与复合层的扩散连接、增进钨基复合层内钨与复合金属的复合扩散以及致密化；4)所述钨基复合层可以选择金属包括钨、铜、镍、铬、钒、铁和钛等。本发明结合激光选区熔化和热等静压工艺将钨片与钨基复合层结合在一起，制备的钨基复合片在有效缓释应力的同时增加其强度和耐辐照性能，易于批量生产和在聚变堆高热负荷部件上的应用。

技术领域

本发明是一种结合激光选区熔化和热等静压技术制备钨基复合片的工艺方法，属于异种金属复合技术领域。

背景技术

聚变能的开发应用是彻底解决人类能源危机的希望，目前磁约束核聚变能开发已经进入工程验证阶段，聚变堆内部部件的设计和研制是摆在国内外科研工作者面前最后的屏障。

聚变堆内部部件直接面对高温等离子体，工作环境极为恶劣，要求材料必须具有高热导和高机械强度，特别是面对等离子体材料还要与等离子体具有好的兼容性，通常聚变堆内部部件采用多种材料的复合焊接设计，比如偏滤器部件采用钨铜复合设计，而包层部件采用钨钢复合设计，其中钨材料为防护铠甲材料，铜和钢为热沉结构材料，为了提高铜和钢的使用温度和耐辐照性能，一般选择铜合金和低活化钢(RAFM)。为了缓解钨铠甲与铜合金热沉或者与RAFM钢之间热机械性能失配问题，通常在钨与铜合金或者RAFM钢之间添加中间过渡层，比如无氧铜中间层，制备工艺主要为：首先采用热等静压或者浇筑技术制备钨/无氧铜复合片(钨层厚2mm，铜层厚1mm)，之后通过热等静压扩散焊技术将钨铜片与铜合金或者RAFM钢焊接起来，最后加工制造所需尺寸的内部部件。无氧铜作为高纯铜，具有高热导率和高塑性，但在聚变堆高温和高中子通量环境中长期服役，易发生高温蠕变和辐照脆化，在发生塑性变形过程中易发生接头断裂行为，导致部件失效，影响装置安全。

为了增强纯铜中间层的高温力学性能和抗中子辐照性能，目前研究提出了添加钨、SiC等复合增强铜层的解决方案。添加钨和SiC物质的形式主要有纤维和颗粒两种，也就是先将钨、SiC的颗粒或者短纤维与铜粉混合，之后采用高温液相熔合法将二者复合在一起。因为钨和SiC颗粒或者纤维与铜的密度不同，在铜熔化过程中极易产生添加掺杂物偏析问题，降低增强效果，导致复合层的整体高温性能失控。为此，也有方法采用将钨和SiC纤维预编制好，之后浇筑铜熔液的方法，该工艺虽然可以实现掺杂物的有序添加，但是工序复杂，制作成本高，不利于批量生产。另外也有采用PVD等方法开展复合层的沉积，但是效率太低。

发明内容

本发明将针对上述问题，提出结合激光选区熔化和热等静压技术来制备钨基复合片。激光选区熔化技术经过十余年的发展，已经相对成熟，特别适合于阵列式制备薄片。这就为本发明的施行奠定了坚实的技术基础。另一方面，热等静压技术也十分适宜于复合材料的致密化和内部的扩散焊接，进而提高复合材料的性能。因此，拟结合激光选区熔化和热等静压焊接方法，制备钨基复合片，进而大规模应用于聚变堆内部部件的焊接制造。

本发明是为钨基复合片提供了一种新的制备方法。

为实现上述目的，本发明具体方案如下：

一种结合激光选区熔化和热等静压技术制备钨基复合片的工艺方法，包括以下步骤：

a)结构设计：所述钨基复合片包括钨片和钨基复合层，其中钨片厚为1-6mm，钨基复合层厚为0.01-2mm。

b)连接工艺：将钨片作为基体，采用激光选区熔化技术在钨片上开展复合粉的选区熔化，经过多层熔覆在钨基复合层达到一定厚度，将钨基复合片放入热等静压炉子内，并选择合适热等静压参数开展钨片与钨基复合层以及复合层内钨与其他金属的扩散焊接。

进一步的，所述钨片为纯钨或者钨基合金材料。