钨铜合金的整体连接技术

材料牛注：长期以来，钨和铜合金的整体连接技术就制约着核聚变反应中偏滤器装置的发展。怎样在不添加中间材料的情况下将二者合二为一一直是令科学家们头疼的问题。近期，日本东京的科学家成功研制出解决这一难题的技术，让我们一睹为快。

（a）三点弯曲试验中BNi-6连接层的变形原理图。连接层发生局部变形。（b）红实线代表的是钢化连接层的应力应变曲线。（1）点为明显屈服点。绿色虚线代表的是不同铜合金和焊接材料制备的样品在焊接失败时的形态。

持续从核聚变等离子体中吸收高热量和粒子流的装置是一个偏滤器。由于在热转移方面的表现优良且可靠，这一偏滤装置在世界范围内掀起一股研究它的热潮。块状金属钨可用作偏滤器装甲材料，它具有低氢同位素保留及低溅射效率的优势。在钨装甲材料的背面连接着铜合金做的水冷散热器，在热传递过程中，这一装置会膨胀伸长。他们考虑在旋转反应堆(FFHR-d1)中加入同样的结构，NIFS在考虑范围。这么说来，连接钨和铜的技术就必不可少了。然而，这两种金属并不会形成合金。在两种金属中，加入填充材料作为连接材料，并将这一材料加热至900℃以上。由于铜和钨的热膨胀率大不相同，用于吸收热膨胀的中间材料需要和填充材料一起添加进去。直到现在人们也没有发现不用中间材料就能连接二者的技术。但加入中间材料，又会增加连接界面和连接面积，从而减弱结构强度，导致成本增加、排热性能下降等问题。

研究结果和意义

日本核融合科学研究所的研究院Masayuki Tokitani及其研究团队研制出一种直接连接钨和铜合金的技术，虽然有点困难。他们将连接材料用作缓冲，从而减少了中间材料的使用。利用这一技术，他们成功制备出在反应堆条件(~15 MW/m2)下都具有优异热转移容量的小型偏滤器。

该偏滤器必须能够承受得住极强的热流冲击，甚至在焊接热处理阶段，因为在这一阶段，这个元器件会被加热至900℃，再冷却至室温。所以，装甲材料和热沉材料连接界面上就会产生热应力。这种热应力应被尽可能快地除去。这一次，为了同时满足种种需求，研究团队的成员使用BNi-6 (Ni-11%P)、氧化物弥散强化铜合金(ODS-Cu)和GlidCop® (Cu-0.3wt%Al2O3)作为填充材料，以达到最优焊接条件。

更特别的是，Tokitani教授的研究团队将焊接材料的厚度定为38 ?m，热处理温度和时间分别是960℃和10min，在此期间进行焊接操作。接下来，他们在从960℃到100℃的冷却过程中采用了极缓慢的自然冷却，在100℃到室温这段冷却过程中，采用氮气冷却。焊接完成后，采取三点弯曲试验来测试连接的强度。令人吃惊的是，连接层具有优良的韧性，其屈服强度达200 MPa。既然钨和GlidCop®材料在焊接处理后的屈服强度都在300 MPa以上，那么变形区域必然在焊接区以内。当张力为0.2%时，这一区域也不太可能是产生大塑性变形的地方。既然实际的塑性变形区域都特别薄（比如几十微米），那么实际的张力应远大于0.2%。这真是一个令人惊讶的结果。

这表明连接层有韧性，焊接产生的热膨胀在这一区域被吸收殆尽。这种施加应力的释放功能具有强大的优势，能有效去除反应堆条件下工作的偏滤器中的随机热膨胀。另外，焊接失败的样品中绿色虚线表示不同铜合金和焊接材料。在这些失败了的焊接样品中，连接层脆性太大，仅在1/4所需张力的情况下就发生断裂。W/BNi-6/GlidCop®小型偏滤器的成功制备要归因于先进的焊接技术。对这一偏滤器，他们在NIFS下利用ACT2电子束装置，在反应堆相关条件下进行了热负荷实验。650℃的温度远低于BNi-6的熔点（875℃）和钨的再结晶温度（~1500℃）。为什么它具有如此优良的热转移容量呢？原因在于，既然要不加中间材料地直接结合，就应当将装甲层到散热器的热阻减至最小。

这一研究成果提出的先进焊接技术不仅可以制备先进的偏滤器，而且可以减少聚变反应堆整体偏滤器结构的制造成本。在未来的工作中，利用这一技术，我们可以制备和这一小型偏滤器结构相同的大型偏滤装置，并用于核聚变反应中。我们的目标在于使偏滤装置的远程操作和安全使用成为可能。

该研究结果发表在2016年十月17~22日期间于日本东京召开的第26次国际原子能机构的聚变能源会议纪录上。

原文链接：Establishing an advanced bonding technique for tungsten and copper alloys

文献链接：National Institutes of Natural Sciences

本文由材料人编辑部杨树提供素材，张文扬编译，点我加入材料人编辑部。

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