钨/低活化钢连接用Fe基非晶钎料研究

摘要

氦冷型偏滤器（Helium-cooled divertor）是未来聚变示范堆（Developing demonstration fusion reactor，DEMO）的关键部件；钨与钨合金最有望用作其面向等离子体材料（Plasma Facing Materials，PFM），而低活化铁素体/马氏体钢（Reduced activation ferritic/martensitic steels，RAFM）则适宜用作其结构支撑材料。因此，W（及其合金）与低活化钢的有效连接成为氦冷型偏滤器制造所需解决的关键课题。然而，钨与RAFM钢在热膨胀系数和熔点等物理性质方面存在巨大差异，常规熔焊技术难以获得优质的W/RAFM钢连接接头。钎焊技术具有工艺简单，对母材影响小，对焊件尺寸、形状要求低等特点，它在W/RAFM钢连接中具有重要应用前景。本论文首先基于DEMO示范堆偏滤器材料的服役性能要求，设计出低活化组元构成的Fe基合金，并运用单辊急冷技术制备出Fe基非晶钎料；然后，基于钎料的熔化特征，在不同工艺参数下对W/CLF-1低活化钢进行真空钎焊实验。测试、表征不同钎焊条件下获得的接头组织、结构与性能；揭示其组织结构特征，并探索相关形成机制。 论文主要研究结果如下： (1)开发出5种可用于W/CLF-1低活化钢钎焊连接的Fe-B-Si基非晶钎料，这些钎料均呈现近单峰熔化模式。其中，Fe60Mn15B16.67Si6.33Sn2（at.%）非晶钎料的熔化开始温度Tm与终了温度Tl分别为1056℃和1155℃，比Fe75B16.67Si8.33三元合金的分别低80℃和40℃，表明Mn和Sn合金元素的适量加入可有效降低Fe-B-Si基础合金的熔点。 (2)1250℃下，用Fe75B16.67Si8.33三元非晶对W/CLF-1低活化钢进行钎焊连接，得到由Fe基固溶体区和FeW2B2化合物层构成的焊缝组织。其中，Fe基固溶体为硬度240 HV的软区，而化合物层为硬度高达642 HV的硬层。钎焊接头整体上无裂纹发生，但钎缝与母材的界面处均存在孔洞等宏观缺陷。 (3)1240℃下3种Fe基四元非晶钎料的W/CLF-1低活化钢钎焊连接实验表明：Fe-B-Si-Sn系钎缝组织特征总体与Fe75B16.67Si8.33三元非晶钎料的类似，且在钎缝/母材界面处也出现了明显的孔洞缺陷。但适量Sn元素的添加明显抑制了FeW2B2化合物的分布范围，可能是它能有效降低Fe基钎料熔体对W母材晶粒的浸蚀、剥离作用。与Fe-B-Si-Sn相比，Fe65Mn10B16.67Si8.33非晶钎料熔体具有更低的熔点、更好流动性和焊缝填充能力，基于其形成的W/CLF-1钎缝接头质量良好，无孔洞、裂纹等宏观缺陷发生。 (4)综合Mn、Sn元素的合金化作用优势，开发出Fe60Mn15B16.67Si6.33Sn2非晶新钎料。在1220℃下对W与CLF-1低活化钢进行15 min保温钎焊，即可获得无缺陷、界面结合好的W/CLF-1钢钎焊接头，其钎缝组织由单相Fe基固溶体、FeW2B2基化合物层和混合相层（固溶体基体上分布着(Fe,Cr)3B与FeW2B2相）3部分构成；Fe60Mn15B16.67Si6.33Sn2钎料熔体凝固结晶时首先在近钢母材侧形成不含B组元的单相Fe基固溶体；钎料熔体中的B向W母材集聚，并促成近W侧FeW2B2化合物层的形成；同时，从钢母材中溶入的Cr元素则与钎料的Fe、B组元一起，在混合相区中形成了(Fe,Cr)3B化合物相。 (5)W母材通常为粉末冶金制备，导致钎料熔体易于沿W母材颗粒界面进行渗透，同时W颗粒被浸蚀，溶解进入钎料熔体，与其中的B、Fe结合反应，生成脆性FeW2B2相。同时，FeW2B2晶粒间的钎料熔体在降温时凝固成Fe基固溶体韧性相，最终形成韧、脆相穿插组合的FeW2B2基化合物层，这种组织特征有利于降低脆性化合物层不良作用，改善接头性能。这也为今后获取高质量W/CLF-1钢钎焊接头提供了新的方案与思路。

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