鎢銅合金的整體連接技術

材料牛注：長期以來，鎢和銅合金的整體連接技術就制約著核聚變反應中偏濾器裝置的發展。怎樣在不添加中間材料的情況下將二者合二為一一直是令科學家們頭疼的問題。近期，日本東京的科學家成功研制出解決這一難題的技術，讓我們一睹為快。

（a）三點彎曲試驗中BNi-6連接層的變形原理圖。連接層發生局部變形。（b）紅實線代表的是鋼化連接層的應力應變曲線。（1）點為明顯屈服點。綠色虛線代表的是不同銅合金和焊接材料制備的樣品在焊接失敗時的形態。

持續從核聚變等離子體中吸收高熱量和粒子流的裝置是一個偏濾器。由于在熱轉移方面的表現優良且可靠，這一偏濾裝置在世界范圍內掀起一股研究它的熱潮。塊狀金屬鎢可用作偏濾器裝甲材料，它具有低氫同位素保留及低濺射效率的優勢。在鎢裝甲材料的背面連接著銅合金做的水冷散熱器，在熱傳遞過程中，這一裝置會膨脹伸長。他們考慮在旋轉反應堆(FFHR-d1)中加入同樣的結構，NIFS在考慮范圍。這么說來，連接鎢和銅的技術就必不可少了。然而，這兩種金屬并不會形成合金。在兩種金屬中，加入填充材料作為連接材料，并將這一材料加熱至900℃以上。由于銅和鎢的熱膨脹率大不相同，用于吸收熱膨脹的中間材料需要和填充材料一起添加進去。直到現在人們也沒有發現不用中間材料就能連接二者的技術。但加入中間材料，又會增加連接界面和連接面積，從而減弱結構強度，導致成本增加、排熱性能下降等問題。

研究結果和意義

日本核融合科學研究所的研究院Masayuki Tokitani及其研究團隊研制出一種直接連接鎢和銅合金的技術，雖然有點困難。他們將連接材料用作緩沖，從而減少了中間材料的使用。利用這一技術，他們成功制備出在反應堆條件(~15 MW/m2)下都具有優異熱轉移容量的小型偏濾器。

該偏濾器必須能夠承受得住極強的熱流沖擊，甚至在焊接熱處理階段，因為在這一階段，這個元器件會被加熱至900℃，再冷卻至室溫。所以，裝甲材料和熱沉材料連接界面上就會產生熱應力。這種熱應力應被盡可能快地除去。這一次，為了同時滿足種種需求，研究團隊的成員使用BNi-6 (Ni-11%P)、氧化物彌散強化銅合金(ODS-Cu)和GlidCop? (Cu-0.3wt%Al2O3)作為填充材料，以達到最優焊接條件。

更特別的是，Tokitani教授的研究團隊將焊接材料的厚度定為38 ?m，熱處理溫度和時間分別是960℃和10min，在此期間進行焊接操作。接下來，他們在從960℃到100℃的冷卻過程中采用了極緩慢的自然冷卻，在100℃到室溫這段冷卻過程中，采用氮氣冷卻。焊接完成后，采取三點彎曲試驗來測試連接的強度。令人吃驚的是，連接層具有優良的韌性，其屈服強度達200 MPa。既然鎢和GlidCop?材料在焊接處理后的屈服強度都在300 MPa以上，那么變形區域必然在焊接區以內。當張力為0.2%時，這一區域也不太可能是產生大塑性變形的地方。既然實際的塑性變形區域都特別薄（比如幾十微米），那么實際的張力應遠大于0.2%。這真是一個令人驚訝的結果。

這表明連接層有韌性，焊接產生的熱膨脹在這一區域被吸收殆盡。這種施加應力的釋放功能具有強大的優勢，能有效去除反應堆條件下工作的偏濾器中的隨機熱膨脹。另外，焊接失敗的樣品中綠色虛線表示不同銅合金和焊接材料。在這些失敗了的焊接樣品中，連接層脆性太大，僅在1/4所需張力的情況下就發生斷裂。W/BNi-6/GlidCop?小型偏濾器的成功制備要歸因于先進的焊接技術。對這一偏濾器，他們在NIFS下利用ACT2電子束裝置，在反應堆相關條件下進行了熱負荷實驗。650℃的溫度遠低于BNi-6的熔點（875℃）和鎢的再結晶溫度（~1500℃）。為什么它具有如此優良的熱轉移容量呢？原因在于，既然要不加中間材料地直接結合，就應當將裝甲層到散熱器的熱阻減至最小。

這一研究成果提出的先進焊接技術不僅可以制備先進的偏濾器，而且可以減少聚變反應堆整體偏濾器結構的制造成本。在未來的工作中，利用這一技術，我們可以制備和這一小型偏濾器結構相同的大型偏濾裝置，并用于核聚變反應中。我們的目標在于使偏濾裝置的遠程操作和安全使用成為可能。

該研究結果發表在2016年十月17~22日期間于日本東京召開的第26次國際原子能機構的聚變能源會議紀錄上。

原文鏈接：Establishing an advanced bonding technique for tungsten and copper alloys

文獻鏈接：National Institutes of Natural Sciences

本文由材料人編輯部楊樹提供素材，張文揚編譯，點我加入材料人編輯部。

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