專利名稱：一種中子輻照下內(nèi)含非直線型軸線流道的部件制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高通量中子輻照條件下內(nèi)部含非直線型軸線冷卻流道的部件制備方法。
背景技術(shù)：
反應(yīng)堆內(nèi)部中子輻照一般伴隨著高的熱能載荷，為了保證面向中子輻照部件的機(jī)械性能，需要對(duì)部件進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。其中最有效的方案就是在部件面向熱流載荷的壁板內(nèi)部加工出冷卻流道，進(jìn)行內(nèi)部冷卻。在各種次臨界堆、以及聚變堆等高通量強(qiáng)中子輻照環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)粒子能量轉(zhuǎn)化為冷卻劑熱能，以及核燃料增殖是堆技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。該功能部件在堆中的地位決定了其所處的環(huán)境十分惡劣高溫，高通量的強(qiáng)中子輻照以及復(fù)雜的電磁環(huán)境和熱機(jī)械載荷等。這對(duì)結(jié)構(gòu)材料以及相關(guān)的制造技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，在高通量強(qiáng)中子輻照條件下服役部件的組裝采用熱等靜壓焊接技術(shù)，可以避免因熔焊導(dǎo)致的組織不均，引起輻照缺陷的聚集。 但熱等靜壓焊接對(duì)部件的加工精度以及組裝精度提出了較高的要求。以聚變堆為例，其能量轉(zhuǎn)以及燃料增值部件稱為包層。其第一壁結(jié)構(gòu)中含有多組的矩形冷卻流道，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在聚變環(huán)境高溫度梯度，高熱機(jī)械載荷，以及高壓工作氣體等環(huán)境特點(diǎn)下，包層第一壁的制造為了避免縮孔，疏松，偏析等缺陷而不采用普通的鑄造方式，同時(shí)高通量強(qiáng)中子也要求第一壁的連接也避免使用普通的熔焊方式。目前，第一壁的設(shè)計(jì)要求采用壓力成型的流道管件和彎板部件，最終通過(guò)無(wú)焊接熔區(qū)和焊縫組織的熱等靜壓焊接技術(shù)將板和管連接為整體。目前對(duì)于內(nèi)部含有異型冷卻流道部件的制備工藝一般直接采用拼焊的方式來(lái)制備。雖然該種方案制備的冷卻流道具有較高的尺寸精度，但該方案使用熔化焊接，導(dǎo)致了焊接部位與基體的組織不均勻，并有可能引入焊接缺陷。如縮孔，熱應(yīng)力微裂紋等。另外，日本原子能機(jī)構(gòu)JAEA采用冷拔方式制備直線型無(wú)縫異型管，并通過(guò)熱等靜壓將直線型異型管和內(nèi)外壁平板焊接為整體，最后采取整體彎曲的方式來(lái)制備內(nèi)部含非直線型軸線冷卻流道的部件。該種方案沒有使用熔焊，但厚板的繞彎會(huì)導(dǎo)致已焊接的冷卻流道畸變較嚴(yán)重，部件尺寸精度下降；同時(shí)該方案將直線型的異型管和內(nèi)外壁平板組裝在一起時(shí)通過(guò)氬弧焊實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壁平板和異型管的連接縫進(jìn)行焊接。由于氬弧焊在大氣中進(jìn)行，焊接高溫會(huì)造成異型管和內(nèi)外壁板待焊接面的劇烈氧化，從而在熱等靜壓焊接時(shí)在連接界面引入大量氧化物夾雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種中子輻照下內(nèi)含非直線型軸線流道的部件制備方法，本發(fā)明采用熱等靜壓焊接進(jìn)行部件連接，避免了拼焊帶來(lái)的組織不均勻性；采用液壓脹型制備異型管，內(nèi)外壁板和異型管先彎曲加工后進(jìn)行焊接的方案解決了機(jī)械彎曲焊接整板導(dǎo)致的流道畸變和尺寸精度下降的問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種中子輻照下內(nèi)含非直線型軸線流道部件的制備方法，首先需對(duì)內(nèi)外壁板材進(jìn)行彎曲，同時(shí)對(duì)流道原型圓管進(jìn)行預(yù)彎曲成型，然后通過(guò)液壓脹型成型為異型管。然后在內(nèi)外彎板的表面車銑流道槽，再將流道異型管放置于流道槽中，最后通過(guò)熱等靜壓焊接將彎板和流道異型管連接為整體部件。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)制備無(wú)縫圓管，然后將所述圓管通過(guò)繞彎進(jìn)行預(yù)彎曲，在繞彎過(guò)程中采用活動(dòng)芯棒或者在圓管中加入低熔點(diǎn)填充料以減小彎曲時(shí)圓管的畸變；(2)將預(yù)彎曲后的圓管進(jìn)行退火熱處理，然后通過(guò)液壓脹型制備為異型管，并對(duì)異型管逐根進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)；所述異型管是除了圓管以外的其他截面形狀管的總稱；如矩形
管，變徑管，多邊形管等。(3)將內(nèi)部含非直線型軸線的冷卻流道部件的內(nèi)外壁板采用模壓彎曲，并在外壁板的彎曲內(nèi)側(cè)和內(nèi)壁板的彎曲外側(cè)車銑流道槽，使內(nèi)外壁板的流道槽組合在一起正好與液壓脹型后的異型管相配合，液壓脹型異型管作為冷卻劑的流道管，而板件車銑的流道槽主要是用來(lái)和異型管相連接的；對(duì)內(nèi)外壁板材和異型管的接觸面進(jìn)行表面處理，平均粗糙度達(dá)到3. 2um以上；然后進(jìn)行超聲波清洗和烘干；(4)將異型管放置于內(nèi)外壁板流道槽中，通過(guò)電子束焊接進(jìn)行外圍真空封裝，得到內(nèi)外壁板和異型管的真空封裝件；(5)最后將真空封裝件置于高溫高壓惰性氣體環(huán)境，在長(zhǎng)時(shí)間的高溫高壓下，異型管和內(nèi)外壁板界面原子相互擴(kuò)散致使界面消失，最終成為整體。所述步驟O)中液壓脹型制備異型管時(shí)，將圓管置于模具的異型腔中，在圓管表面涂上表面潤(rùn)滑劑，圓管管壁和模具表面涂上潤(rùn)滑劑減小接觸面摩擦系數(shù)，以避免管件成型的開裂傾向，并獲得良好的壁厚均勻性和管件尺寸精度。所述步驟O)中液壓脹型制備異型管過(guò)程中脹型的液壓為40 120MPa。一方面足夠的液壓可以獲得較好的異型管成型效果，另一方面過(guò)高的液壓會(huì)使得管件塑性變形過(guò)渡，導(dǎo)致過(guò)度減薄并出現(xiàn)嚴(yán)重的回彈問(wèn)題。所述步驟O)中在液壓脹型過(guò)程中，預(yù)彎曲圓管的兩端通過(guò)沖頭實(shí)現(xiàn)進(jìn)給補(bǔ)料， 防止因過(guò)度拉伸變形導(dǎo)致的圓管壁破裂。所述步驟(4)中電子束焊接時(shí)，真空環(huán)境需要達(dá)到10-3 以上，電子束焊接的流強(qiáng)為40 60mA。在此流強(qiáng)下可以獲得良好的管件和板件的真空密封效果。所述步驟( 中熱等靜壓焊接時(shí)充入的惰性氣體壓強(qiáng)為80 150Mpa，熱等靜壓溫度為1050 1150°C，熱等靜壓保溫時(shí)間大于2小時(shí)。在高溫高壓下，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的表面原子擴(kuò)散，可以將分離的表面連接在一起，獲得均勻的組織結(jié)構(gòu)。所述步驟( 退火熱處理的工藝參數(shù)真空條件下，在980°C保溫半小時(shí)，以小于 30°C/h的冷卻速度降溫至660°C以下，然后爐冷至室溫。通過(guò)對(duì)管件進(jìn)行退火，可以改善圓管的塑性，較大提高圓管的成型性能，并降低成型的液壓。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明采用部件彎曲后熱等靜壓方式，可以對(duì)每一個(gè)部件進(jìn)行可靠性分析和裂紋檢測(cè)，從而提高了包層第一壁部件的可靠性。(2)本發(fā)明同時(shí)采用預(yù)彎曲和液壓脹型方案，既保證了異型管的尺寸精度也保證了彎曲處內(nèi)部流道的尺寸精度，因此本發(fā)明可以制備具有高尺寸精度和高可靠性的液態(tài)金
屬包層第一壁部件。(3)本發(fā)明采用熱等靜壓焊接進(jìn)行部件連接，避免了拼焊帶來(lái)的組織不均勻性，解決流道畸變和尺寸精度下降及部件檢測(cè)難題。


圖1為本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)流程圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1以聚變堆液態(tài)包層第一壁部件的制備為例，其工藝流程如圖1所示，包括以下步驟(1)制備低活化鋼的薄壁圓管，如中國(guó)低活化馬氏體鋼。其外徑和壁厚符合矩形管制備的要求。然后將圓管通過(guò)繞彎進(jìn)行預(yù)彎曲。繞彎圓管時(shí)可以通過(guò)增加活動(dòng)芯棒或者添加填充料防管壁凹陷和起皺，并對(duì)彎曲后圓管進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。(2)將預(yù)彎曲圓管進(jìn)行退火處理，退火熱處理制度真空條件下，在950°C 980°C 保溫30分鐘，然后以大于30°C /h的冷卻速度降至600°C，之后爐冷至室溫。(3)退火后的彎管置于液壓脹型模具的內(nèi)部矩形腔中，在圓管表面涂上表面潤(rùn)滑劑，使圓管與模具之間的摩擦系數(shù)降至0. 15以下，矩形管液壓脹型過(guò)程中的液壓為60 120MPao(4)在預(yù)彎圓管的兩端安裝進(jìn)給裝置，在脹型過(guò)程中通過(guò)沖頭進(jìn)給補(bǔ)料，防止因過(guò)度拉伸變形導(dǎo)致的管壁破裂。矩形管制備后逐根進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。( 含內(nèi)部冷卻流道部件的內(nèi)外壁板采用模壓彎曲，并車銑流道槽。對(duì)內(nèi)外壁和矩形管的接觸面進(jìn)行表面加工，光潔度控制在花6以上，并進(jìn)行超聲波清洗和烘干。(6)將含內(nèi)部冷卻流道部件的內(nèi)外壁板和矩形管通過(guò)電子束焊接進(jìn)行真空封裝， 得到內(nèi)外壁和矩形管的封裝件。(7)最后將與封裝件進(jìn)行熱等靜壓焊接為整體。熱等靜壓焊接充入的氣體壓強(qiáng)為 80 150Mpa，熱等靜壓溫度為1050 1150°C，保溫2h以上后爐冷。通過(guò)本次試驗(yàn)通過(guò)此種方案制備的聚變堆液態(tài)包層結(jié)構(gòu)件的外形尺寸精度可以控制在Imm以內(nèi)，垂直度誤差可以控制在0.5°以內(nèi)，同時(shí)流道尺寸的畸變量可控制在0. 5mm左右。而且， 熱等靜壓焊接連接處的拉伸性能與基體相似，部件具有較高的尺寸精度和性能可靠性。實(shí)施例2以聚變堆固態(tài)包層第一壁部件的制備為例，其工藝流程與液態(tài)包層第一壁制備流程相似，包括以下步驟(1)制備低活化鋼的薄壁圓管。其外徑和壁厚符合方形管制備的要求。然后將圓管通過(guò)繞彎進(jìn)行預(yù)彎曲。繞彎圓管時(shí)可以通過(guò)增加活動(dòng)芯棒或者添加填充料防管壁凹陷和起皺，并對(duì)彎曲后圓管進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。(2)將預(yù)彎曲圓管將預(yù)彎曲圓管進(jìn)行退火處理，退火熱處理制度真空條件下，在950°C 980°C保溫30分鐘，然后以大于30°C /h的冷卻速度降至600°C，之后爐冷。(3)將退火后彎管置于液壓脹型模具的內(nèi)部方形腔中，在圓管表面涂上表面潤(rùn)滑劑，使圓管與模具之間的摩擦系數(shù)將至0. 15以下，方形管液壓脹型過(guò)程中的液壓為40 IOOMPa0(4)在預(yù)彎圓管的兩端安裝進(jìn)給裝置，在脹型過(guò)程中通過(guò)沖頭進(jìn)給補(bǔ)料，防止因過(guò)度拉伸變形導(dǎo)致的管壁破裂。方形管制備后逐根進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)。(5)內(nèi)外壁采用模壓彎曲，并車銑流道槽。對(duì)內(nèi)外壁和方形管的接觸面進(jìn)行表面加工，光潔度控制在花6以上，顯露金屬光澤，然后進(jìn)行清洗和烘干。(6)將內(nèi)外壁和方形管通過(guò)電子束焊接進(jìn)行真空封裝，得到內(nèi)外壁和方形管的真空封裝件。(7)最后將與封裝件通過(guò)熱等靜壓焊接為整體。熱等靜壓焊接充入的氣體壓強(qiáng)為 80 150Mpa，熱等靜壓溫度為1050 1150°C，保溫2h以上后爐冷。通過(guò)此種方案制備的聚變堆液態(tài)包層結(jié)構(gòu)件的外形尺寸精度可以控制在Imm以內(nèi)，垂直度誤差可以控制在0.5°以內(nèi)，同時(shí)流道尺寸的畸變量可控制在0.5mm左右。熱等靜壓焊接連接處的拉伸性能與基體相似，部件具有較高的尺寸精度和性能可靠性。
權(quán)利要求
1.一種中子輻照下內(nèi)含非直線型軸線流道的部件制備方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)制備無(wú)縫圓管，然后將所述圓管通過(guò)繞彎進(jìn)行預(yù)彎曲，在繞彎過(guò)程中采用活動(dòng)芯棒或者在圓管中加入低熔點(diǎn)填充料以減小彎曲時(shí)圓管的畸變；(2)將預(yù)彎曲后的圓管進(jìn)行退火熱處理，然后通過(guò)液壓脹型制備為異型管，并對(duì)異型管逐根進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)；(3)將內(nèi)部含非直線型軸線的冷卻流道部件的內(nèi)外壁板采用模壓彎曲，并在外壁板的彎曲內(nèi)側(cè)和內(nèi)壁板的彎曲外側(cè)車銑流道槽，并使內(nèi)外壁板的流道槽組合在一起正好與液壓脹型后的異型管相配合；對(duì)內(nèi)外壁板材和異型管的接觸面進(jìn)行表面處理，平均粗糙度達(dá)到 3. 2um以上水平；然后進(jìn)行超聲波清洗和烘干；(4)將異型管放置于內(nèi)外壁板流道槽中，通過(guò)電子束焊接進(jìn)行外圍真空封裝，得到內(nèi)外壁板和異型管的真空封裝件；(5)最后將真空封裝件通過(guò)熱等靜壓焊接為整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中子輻照下內(nèi)含非直線型軸線流道的部件制備方法，其特征在于所述步驟O)中液壓脹型制備異型管時(shí)，將圓管置于模具的異型腔中，在圓管表面涂上表面潤(rùn)滑劑，圓管管壁和模具表面涂上潤(rùn)滑劑減小接觸面摩擦系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種中子輻照下內(nèi)含非直線型軸線流道的部件制備方法，其特征在于所述步驟O)中液壓脹型制備異型管過(guò)程中脹型的液壓為40 120MPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中子輻照下內(nèi)含非直線型軸線流道的部件制備方法，其特征在于所述步驟O)中在液壓脹型過(guò)程中，預(yù)彎曲圓管的兩端通過(guò)沖頭實(shí)現(xiàn)進(jìn)給補(bǔ)料， 防止因過(guò)度拉伸變形導(dǎo)致的圓管壁破裂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中子輻照下內(nèi)含非直線型軸線流道的部件制備方法，其特征在于所述步驟中電子束焊接時(shí)，真空環(huán)境需要達(dá)到KT3Pa以上，電子束焊接的流強(qiáng)為40 60mA。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中子輻照下內(nèi)含非直線型軸線流道的部件制備方法，其特征在于所述步驟(5)中熱等靜壓焊接時(shí)充入的惰性氣體壓強(qiáng)為80 150Mpa，熱等靜壓溫度為1050 1150°C，熱等靜壓保溫時(shí)間大于2小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中子輻照下內(nèi)含非直線型軸線流道的部件制備方法，其特征在于所述步驟( 退火熱處理的工藝參數(shù)真空條件下，在980°C保溫半小時(shí)，以小于 300C /h的冷卻速度降溫至660°C以下，然后爐冷至室溫。
全文摘要
一種中子輻照下內(nèi)含非直線型軸線流道的部件制備方法，首先需對(duì)內(nèi)部含非直線型軸線冷卻流道部件的內(nèi)外壁板進(jìn)行彎曲，并對(duì)流道原型圓管進(jìn)行預(yù)彎曲，然后通過(guò)液壓脹型預(yù)彎曲的圓管來(lái)制備非直線型軸線的異型管。然后在彎曲后內(nèi)外壁板的表面車銑流道槽，并將異型管放置于流道槽中。最后通過(guò)熱等靜壓焊接將彎曲的內(nèi)外壁板和異型管連接為整體部件。本發(fā)明保證了整體部件的組織均勻性，同時(shí)克服了先焊接后彎曲可能導(dǎo)致的尺寸精度控制難度大，以及整體部件彎曲過(guò)程中部分部件的失效將導(dǎo)致聚變堆包層第一壁整體失效等問(wèn)題。
文檔編號(hào)B23P15/00GK102294577SQ20111025013
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月29日
發(fā)明者吳慶生, 李春京, 趙彥云, 黃波, 黃群英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院