一种TBM第一壁U形含流冷却管道组的加工工艺

摘要

一种TBM第一壁U形含流冷却管道组的加工工艺，包括以下步骤：步骤一，选用低活化铁素体/马氏体钢的球形粉末，加工成U形框架子件；步骤二，在U形框架子件上，沿U形框架方向加工出一个U形槽；步骤三，将两个加工出U形槽的U形框架子件对接加工成一个U形冷却管道；步骤四，将U形冷却管道依次竖直叠放，彼此对接，实现第一壁U形冷却管道组的集成。该工艺能大幅提高材料利用率，提高了质量安全性能，避免了价格昂贵、工艺难度大的热等静压工艺面临的难题。

说明书

技术领域

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种TBM第一壁U形含流冷却管道组的加工工艺。 

背景技术

ITER装置是第一个聚变堆级的实验装置，由前苏联和美国首脑于1985年倡导，目前由七个成员方参与，该装置将于2016年建成、投入运行并获得初始等离子体，500兆瓦聚变功率。它不仅用来集成验证聚变能源的可行性，而且将部分验证聚变堆的工程技术问题。ITER提供了一个真实的聚变中子环境，聚变中子产生率达到1.8×10²⁰n/s，这是一个非常重要的可用来验证聚变示范堆(DEMO)氚自持和能量转换等关键技术的体积中子源。氚(T)是人造核素并在D-T核聚变反应中消耗，为了维持聚变堆的持续稳定运行，需要在聚变堆包层中进行氚增殖，以补充燃耗的氚。我国于2003年初开始参与ITER计划谈判，并参与氚增殖包层(后更名为实验包层——TBM：Test Blanket Module)项目的国际合作活动。 

2008年3月23日召开的第五次中国磁约束核聚变专家委员会会议决定中国首选固态增殖剂TBM为参试模块并在ITER装置上进行实验验证。ITER实验包层模块(ITER-TBM)将用于验证聚变堆条件下“氚增殖”和能量获取技术，同时对设计工具、程序、数据等进行实验验证，并在一定程度上对聚变堆材料进行综合测试。因此，ITER-TBM技术是人类开发聚变能源进程中必须掌握的关键技术。毫无疑问，谁掌握了实验包层(TBM)技术，谁就掌握了除等离子体技术之外的未来聚变电站的主要关键技术。中国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》也将聚变堆的“包层技术”列为要重点研究的前沿技术。 

目前中国固态增殖剂TBM的内部结构较复杂，涉及大量的非标准部件的成型加工技术和各部件间的焊接技术，特别是第一壁的加工。第一壁是中国固态增殖剂TBM直接面向磁约束等离子体、阻挡上亿度的高温等离子的热流轰击从而保护TBM内部结构的关键部件。中国固态增殖剂TBM的第一壁由两部分组成，第一部分是作为面向等离子材料的2mm厚的铍层，第二部分是U形含流冷却管道组。其中U形含流冷却管道组，整体成U形结构，内部铺设多层承压管道，管道内为工作压力8MPa、工作温度为500℃的高温高压氦气。针对第一壁U形含流冷却管道组的技术实现，国内外有多种成型加工方案，多集中在先开槽， 后U形弯曲的方案。比如可以采用整板轧制弯折技术和分板拼接技术实现，但整板轧制会在U型拐角处产生应力变形，而分板拼接技术涉及U形拐角焊接处的性能下降问题，特别是第一壁内部铺设了冷却管道，整板轧制的应力变形不利于冷却管道的质量安全，而分板拼接，冷却管道的对位精度难以保证。 

发明内容

本发明的目的是提供一种TBM第一壁U形含流冷却管道组的加工工艺，以解决TBM第一壁U形冷却管道组在现有加工工艺中由于管道弯曲带来的变形与力学性能下降等问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为，一种TBM第一壁U形含流冷却管道组的加工工艺，包括以下步骤： 

步骤一，选用低活化铁素体/马氏体钢的球形粉末，加工成U形框架子件； 

步骤二，在U形框架子件上，沿U形框架方向加工出一个U形槽； 

步骤三，将两个加工出U形槽的U形框架子件对接加工，形成一个U形冷却管道； 

步骤四，将步骤三制得的U形冷却管道依次竖直叠放，彼此对接，实现第一壁U形冷却管道组的集成。 

进一步，如上所述的一种TBM第一壁U形含流冷却管道组的加工工艺，其中，步骤一中采用的低活化铁素体/马氏体钢的球形粉末，其球径在500微米以下，球形度高于98％。 

进一步，如上所述的一种TBM第一壁U形含流冷却管道组的加工工艺，其中，步骤一中采用的低活化铁素体/马氏体钢的球形粉末，其钢的主要成分除Fe外，Cr的含量在8-9％，W的含量在1-2.5％，V的含量在0.2-0.3％，Ta的含量在0.04-0.2％，Mn的含量在0.2-0.6％，C的含量在0.1-0.15％，其它杂质元素含量控制在0.01％以下。 

进一步，如上所述的一种TBM第一壁U形含流冷却管道组的加工工艺，其中，步骤一中采用的低活化铁素体/马氏体钢的球形粉末的化学成分配方基于核工业西南物理研究院的CLF、中科院等离子所的CLAM、欧洲的Eurofer97或日本的F82H。 

进一步，如上所述的一种TBM第一壁U形含流冷却管道组的加工工艺，其中，步骤一中低活化铁素体/马氏体钢的球形粉末采用激光立体成形工艺加工成U形框架子件。 

进一步，如上所述的一种TBM第一壁U形含流冷却管道组的加工工艺，其 中，步骤二中采用槽铣削工艺加工U形槽。 

进一步，如上所述的一种TBM第一壁U形含流冷却管道组的加工工艺，其中，步骤三中的U形框架子件对接加工工艺采用真空热压焊接工艺。 

进一步，如上所述的一种TBM第一壁U形含流冷却管道组的加工工艺，其中，步骤四中采用真空热扩散焊工艺对接U形冷却管道，实现U形含流冷却管道组的集成。 

本发明的有益效果为：(1)选择低活性铁素体/马氏体钢为基材，抗中子辐照性能好，聚变中子辐照下放射活性低；(2)采用激光立体成形工艺，利用激光束与低活化铁素体/马氏体钢相互作用时的快速熔化和凝固过程，可以获得细小、均匀、致密的组织，从而同时提高低活化马氏体钢的强度和韧性。(3)采用线切割工艺加工U形框架子件的材料利用率只有15％左右，采用激光立体成形工艺的材料利用率可以达到90％以上，能大幅减少材料浪费；具有显着的经济意义；(4)由于在冷却管道开槽之前预制了U形结构，从而保证了含有冷却管道的U形第一壁结构件在U形弯折处无空间尺寸变形，提高了质量安全性能；(5)由于对U形框架子件进行集成加工，这样可以通过调整U形框架子件的数量以适应不同模块以及相关高热负荷或认证测试的尺寸变化需要；(6)对接加工采用了采用真空热压机热扩散焊工艺，避免了价格昂贵、工艺难度大的热等静压工艺面临的难题。 

附图说明

图1为未开槽的U形框架子件的示意图； 

图2为开槽的U形框架子件的俯视图； 

图3为开槽的U形框架子件的主视图； 

图4为TBM第一壁U形含流冷却管道组测试件的示意图； 

图5为TBM第一壁U形含流冷却管道组测试件的剖视图。 

图中：1-U形框架子件，2-U形槽，3-U形冷却管道。 

具体实施方式

下面将结合实施例和附图对本发明作详细说明。 

实施例1 

一种第一壁U形含流冷却管道组测试件的加工工艺，该工艺包括以下步骤： 

步骤一，选用基于核工业西南物理研究院的CLF-1化学组分配方的球形粉末，采用激光立体成形工艺加工成如图1所示的未开槽的U形框架子件1。具 体方式为，采用型号为LSF-III的激光立体成形制造设备，首先在计算机中生成U形框架子件1的三维CAD模型，然后将该模型按一定的厚度0.5mm分层“切片”，即将U形框架子件1的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息，再采用激光熔覆的方法按照轮廓轨迹逐层堆积材料，最终形成如图1所示三维实体的U形框架子件1，加工精度控制在±10μm； 

步骤二，采用瑞士米克朗HSM高速铣削加工中心型号为HSM500的设备，在U形框架子件1上加工出一个如图2、图3所示横截面为长方形的U形槽2，其中槽深5.8mm，槽宽15mm，加工精度控制在±3μm； 

步骤三，采用真空热压焊接FJK-2型辐射加热真空扩散焊机将两个开了U形槽2的U形框架子件1对接成一个U形冷却管道3，两个槽对位拼接后形成的冷却管道截面为11.6×15mm²； 

步骤四，采用真空热压焊接FJK-2型辐射加热真空扩散焊机，将5个加工好的U形冷却管道3依次顺序竖直叠放，如图4和图5所示，采用真空热压扩散焊工艺一次性成形第一壁U形含流冷却管道组。 

该实施里制得的TBM第一壁U形含流冷却管道组结构材料的力学性能(包括强度和韧性)都得到了显著提高，室温抗拉强度达到850MPa(原CLF-1为726MPa)，屈服强度达到730MPa(原CLF-1为625MPa)，断面收缩率达到75％(原CLF-1为70.9％)；材料用量不到传统机加工工艺的20％，目前CLF-1造价按每公斤1000元计(由于低活化马氏体钢杂质成分控制非常严格，属于特种钢材，目前吨级锻件的价格过百万)，以一个TBM第一壁结构材料净重300公斤计算，采用传统的机加工工艺需2吨CLF，采用激光立体成形技术只需400公斤，仅原料费一项可节省160万；采用真空热压技术实现U形冷却管道组的连接与集成，大幅节省了TBM研制的设备成本，真空热扩散设备的造价只有同等规模的热等静压设备的十分之一，满足TBM尺寸要求的热等静压设备的造价在4000万左右，而真空热扩散设备在400万左右。 

实施例2 

按照和实施例1一样的加工工艺制造第一壁U形含流冷却管道组，其区别之处在于： 

(1)步骤一中使用的低活化铁素体/马氏体钢的球形粉末基于中科院等离子所的CLAM化学组分配方； 

(2)步骤三中使用VacBond型高频感应加热真空扩散焊机将两个开了U形槽2的U形框架子件1对接成一个U形冷却管道3。 

该实施里制得的TBM第一壁U形含流冷却管道组结构材料的力学性能(包括强度和韧性)都得到了显著提高，室温抗拉强度达到750MPa，屈服强度达到650MPa，断面收缩率达到20％；材料用量不到传统机加工工艺的20％， 

实施例3 

按照和实施例1一样的加工工艺制造第一壁U形含流冷却管道组测试件，其区别之处在于步骤一中使用的低活化铁素体/马氏体钢的球形粉末基于欧洲的Eurofer97化学组分配方。 

该实施里制得的TBM第一壁U形含流冷却管道组结构材料的力学性能(包括强度和韧性)都得到了显著提高，室温抗拉强度达到750MPa，屈服强度达到650MPa，断面收缩率达到20％；材料用量不到传统机加工工艺的20％， 

实施例4 

按照和实施例1一样的加工工艺制造含有冷却管道的U形第一壁，其区别之处在于： 

(1)步骤一中使用的低活化铁素体/马氏体钢的球形粉末基于日本的F82H化学组分配方； 

(2)步骤三中使用ZRYS型真空热压炉将两个开了U形槽2的U形框架子件1对接成一个U形冷却管道3； 

(3)步骤四中使用ZRYS型真空热压炉将10个加工好的U形冷却管道3依次顺序竖直叠放，采用真空热压扩散焊工艺一次性实现批次对接，形成U形冷却管道组。 

其中，步骤三和步骤四的极限真空度≤2×10-3Pa，压升率≤0.5Pa/h，最高温度＞1500℃(真空或保护气氛)，度均匀性≤±1℃(真空状态)，均温区尺寸：φ＞800mm，压机压力＞500T。 

该实施里制得的TBM第一壁U形含流冷却管道组结构材料的力学性能(包括强度和韧性)都得到了显著提高，室温抗拉强度达到750MPa，屈服强度达到650MPa，断面收缩率达到20％；材料用量不到传统机加工工艺的20％， 

以上实施例对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。