作為聚變反應(yīng)堆的重要組成部分,面向等離子體構(gòu)件(plasma facing components, PFCs)的工作環(huán)境非常惡劣,通常會(huì)受到高熱負(fù)荷、高能逃逸電子的轟擊、高能中子的輻照以及其它粒子的濺射作用,這就要求PFCs具有較高的可靠性。因此,為了保證核聚變堆的安全運(yùn)行,對(duì)PFCs的材料選擇*。PFCs包括面向等離子體材料和熱沉材料兩部分。由于鎢具有無(wú)化學(xué)濺射、高物理濺射閾值、長(zhǎng)壽命、高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)等一系列特性,使其成為非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的面向高溫等離子體材料。而銅合金則由于具有高熱導(dǎo)而被視為潛在的熱沉材料。然而,關(guān)鍵的問(wèn)題是鎢與銅合金的熱膨脹系數(shù)和彈性性能差異較大。這些差異導(dǎo)致在鎢與銅合金的連接過(guò)程以及核聚變裝置的運(yùn)行過(guò)程中,在PFCs內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,嚴(yán)重影響了PFCs的安全可靠性和使用壽命。此外,鎢也存在著燒結(jié)困難、室溫脆性、塑-脆轉(zhuǎn)變溫度(ductile-to-brittle transition temperature, DBTT)高等問(wèn)題。因此,對(duì)PFCs進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化用以減小熱應(yīng)力和高性能鎢基材料的研發(fā)具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。考慮到上述問(wèn)題,本論文采用有限元法對(duì)W/CuCrZr面向等離子體構(gòu)件進(jìn)行熱力耦合分析。為了緩解連接過(guò)程中和聚變堆運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱應(yīng)力,在鎢與CuCrZr之間加入了不同厚度的柔性高熱導(dǎo)無(wú)氧銅(oxygen free high conductivity copper, OFHC-Cu)界面層。通過(guò)對(duì)不同界面層厚度構(gòu)件模擬結(jié)果的分析,確定了合適的界面層厚度范圍,實(shí)現(xiàn)了PFCs結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。數(shù)值分析也表明,PFC構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性對(duì)面向等離子體鎢基材料具有較高的性能要求。為此,本文也研究了高性能鎢基材料的制備技術(shù),并對(duì)關(guān)鍵性能做了測(cè)試分析。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論概括如下：首先建立了具有不同界面層厚度的三維W/CuCrZr構(gòu)件有限元分析模型,對(duì)連接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和塑性應(yīng)變進(jìn)行分析。研究工作發(fā)現(xiàn),較溥的界面層能夠有效的釋放熱應(yīng)力,但卻導(dǎo)致構(gòu)件對(duì)熱疲勞非常敏感。較厚的界面層則不能有效的釋放熱應(yīng)力。因此,本文通過(guò)對(duì)不同界面層厚度構(gòu)件計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析,實(shí)現(xiàn)了界面層厚度的優(yōu)化,降低了PFCs在連接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其次,在聚變堆的運(yùn)行過(guò)程中,PFCs將暴露于一定的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷之下,導(dǎo)致暴露面的溫度升高,在PFCs中產(chǎn)生溫度的梯度分布。PFCs中溫度的梯度分布促使構(gòu)件中產(chǎn)生熱應(yīng)力,進(jìn)而對(duì)構(gòu)件的穩(wěn)定性和使用壽命造成一定的影響。所以本文也對(duì)穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷(5-25MW/m2)下含有不同界面層厚度的PFCs進(jìn)行了熱力耦合分析,并探討了界面層厚度對(duì)該情況下PFCs溫度分布、熱應(yīng)力、塑性應(yīng)變的影響。研究發(fā)現(xiàn),W/CuCrZr構(gòu)件可以在5-10MW/m2的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷下穩(wěn)定工作；載荷較小時(shí),由于界面層沒(méi)有發(fā)生明顯的塑性變形,所以界面層對(duì)熱應(yīng)力的影響不明顯。當(dāng)熱流密度載荷大于等于10MW/m2時(shí),界面層的加入可以有效的減小構(gòu)件中的熱應(yīng)力,改善應(yīng)力集中情況。因此,在較大的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷下,我們通過(guò)加入界面層并優(yōu)化其厚度降低了PFCs內(nèi)部的熱應(yīng)力,改善了PFC的熱-機(jī)械完整性。在聚變堆裝置實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,通常還會(huì)有邊界局域模或等離子體破裂等其它非正常事件的發(fā)生。因此,PFM除了要經(jīng)受穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷的作用,還要受到很高的瞬態(tài)熱沖擊效應(yīng)。所以在這樣的情況下,PFCs將受到穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱負(fù)荷的耦合作用。而本文進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了不同界面層厚度PFCs在穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)耦合熱負(fù)荷下的熱力耦合分析。探討了W/CuCrZr構(gòu)件在穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)耦合載荷下的穩(wěn)定性以及界面層厚度對(duì)構(gòu)件溫度、熱應(yīng)力、塑性應(yīng)變的影響。研究工作發(fā)現(xiàn),瞬態(tài)載荷對(duì)溫度的影響主要限于鎢表層區(qū)域,而界面層的溫度變化很小。這就導(dǎo)致鎢表層區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,進(jìn)而引發(fā)該區(qū)域的開(kāi)裂、破壞。此外,加入界面層可以減小界面處的熱應(yīng)力,但是導(dǎo)致鎢表層溫度升高,進(jìn)而使得該處熱應(yīng)力增大。通過(guò)對(duì)界面層厚度的優(yōu)化,即減小了界面處熱應(yīng)力,又不會(huì)對(duì)鎢表層區(qū)域的熱應(yīng)力造成太大影響,在一定程度上可以彌補(bǔ)鎢基面向等離子體力學(xué)性能的不足。此外,為了改善鎢基材料的燒結(jié)特性和機(jī)械性能,本文采用真空熱壓燒結(jié)法(hotpressing, HP),制備了添加Ni、Nb、CNTs、TiC等不同燒結(jié)助劑的鎢基材料。探討燒結(jié)溫度(1400～1500℃)和燒結(jié)助劑對(duì)材料密度、微觀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：所有鎢基材料的密度和維氏硬度隨燒結(jié)溫度的升高而增大；加入燒結(jié)助劑可以有效的降低燒結(jié)溫度,改善材料的致密性和力學(xué)性能。特別是1500℃燒結(jié)的W-1Nb-CNTs材料的致密度zui高達(dá)到了理論密度的98.6%,材料硬度也較大,但是彎曲強(qiáng)度較低。zui后,本文在1500℃制備了Nb含量分別為0.5%,1%,3%,5%的W-Nb-CNTs材料,并對(duì)材料的密度、室溫力學(xué)性能以及高溫力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析,本文發(fā)現(xiàn)W-Nb-CNTs材料的維氏硬度、彎曲強(qiáng)度以及斷裂韌性均隨著Nb含量的增多而顯著增大,這是由于增加Nb含量能夠細(xì)化晶粒并形成定向分布的Nb(W)固溶體所導(dǎo)致的。此外,Nb含量的增加也有助于改善材料的抗氧化性,提高材料的高溫強(qiáng)度和韌性。綜合考慮Nb含量對(duì)W-Nb-CNTs材料室溫、高溫力學(xué)性能的影響,確定W-Nb-CNTs材料中的Nb含量為3%。
在400MPa壓力下壓制,于910℃、H2氣中燒結(jié)1h,獲得了組織結(jié)構(gòu)不同于鑄造材料、可在910℃下進(jìn)行擴(kuò)散焊和熱處理、用于制造柱塞液壓泵雙金屬轉(zhuǎn)子的F10-2-3材料(本單位命名);分析了成分相同、制備工藝不同的兩種10-2-3材料在910℃下擴(kuò)散焊接,前者材料不變形,后者異常膨脹的機(jī)理;本研究材料在910℃與鋼擴(kuò)散焊接,雙金屬擴(kuò)散焊接的抗拉強(qiáng)度達(dá)到260 MPa。模擬柱塞孔的脫出試驗(yàn),有色層脫出力達(dá)到19.2kN/cm2,可從根本上解決柱塞液壓泵雙金屬產(chǎn)品結(jié)合力差的問(wèn)題。
銅合金在海洋環(huán)境中以均勻腐蝕為主，其中以全浸zui重、潮差次之、飛濺zui輕。隨暴露時(shí)間的增加，平均腐蝕速度降低。在泥沙沖擊腐蝕條件下，多數(shù)銅合金腐蝕速度增大。ＨＡｌ７７－２Ａ板在全浸和潮差區(qū)顯示出*的耐蝕性。半硬態(tài)ＱＳｎ６．５－０．１合金板材在全浸區(qū)的腐蝕速度較低，特別是對(duì)泥沙沖擊腐蝕不敏感。隨著暴露時(shí)間增加，抗海洋生物附著能力亦降低，死亡海洋生物腐爛產(chǎn)生的硫化物引起嚴(yán)重局部腐蝕。雙相黃銅腐蝕速度高于單相黃銅。ＢＦｅ３０－１－１管組織不均勻?qū)е戮чg腐蝕。由于殘余應(yīng)力影響，管材腐蝕速度大于板材。多數(shù)銅合金腐蝕速度與時(shí)間關(guān)系服從冪函數(shù)規(guī)律。
采用旋轉(zhuǎn)圓桶沖刷腐蝕試驗(yàn)機(jī),利用多種電化學(xué)測(cè)試手段,結(jié)合表面分析、失重測(cè)量研究了B10銅鎳合金流動(dòng)海水沖刷腐蝕、成膜過(guò)程和膜層的電化學(xué)信息,探討了流速及腐蝕時(shí)間對(duì)成膜過(guò)程的影響.結(jié)果表明,B10合金在0、1、2、3、3.6、4m/s的試驗(yàn)流速海水中的腐蝕速度隨著腐蝕時(shí)間的變化規(guī)律相似,在靜止和流動(dòng)海水中都會(huì)生成內(nèi)、外雙層保護(hù)性的腐蝕產(chǎn)物膜,隨著流速增加,產(chǎn)物膜因受流體力學(xué)作用增大而被沖刷削薄;腐蝕反應(yīng)陽(yáng)極區(qū)隨海水流速和時(shí)間變化較大,腐蝕受陽(yáng)極反應(yīng)和傳質(zhì)過(guò)程控制。
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