新型銅合金接頭技術(shù)有望提高散熱性能
新聞來(lái)源：huancq.cn 發(fā)布時(shí)間：2021-06-23 19:03 瀏覽量：
氧化物彌散強(qiáng)化銅合金（ODS-Cu）在導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、耐熱性、耐摩擦性等方面具有優(yōu)異的性能。ODS-Cu的工業(yè)應(yīng)用前景廣闊，但與其他材料的接合極其困難。由于其固有的焊接性差。國(guó)立自然科學(xué)研究院 (NINS) 國(guó)立聚變科學(xué)研究所 (NIFS) 的 Masayuki Tokitani 博士的研究小組開(kāi)發(fā)了一種極其新穎的聯(lián)合技術(shù)，使我們能夠制造任何由 ODS-Cu 制成的組件。該技術(shù)對(duì)生產(chǎn)聚變反應(yīng)堆的高效排熱組件有很大貢獻(xiàn)。
銅合金，例如 ODS-Cu 和鎢 (W) 應(yīng)該用于聚變反應(yīng)堆中需要最高散熱性能的部件中。該組件稱(chēng)為“轉(zhuǎn)向器”。來(lái)自聚變反應(yīng)堆中高溫等離子體的大量熱量流入由偏濾器的 W 裝甲接收。接受的熱能然后通過(guò) ODS-Cu 散熱器傳遞到冷卻水。對(duì)于傳統(tǒng)的冷卻結(jié)構(gòu)，在散熱器中加工出圓柱形的冷卻流道。
最近，一種新的冷卻結(jié)構(gòu)有望提高散熱性能。新結(jié)構(gòu)具有矩形冷卻流道通道和流道頂壁上的V形交錯(cuò)肋（圖1）。為了打造新的結(jié)構(gòu)，我們必須用 ODS-Cu 或不銹鋼 (SUS) 制成的蓋子密封預(yù)處理的冷卻通道。
聚變堆中常規(guī)型和新型兩種除熱部件示意圖。新型部件是通過(guò)使用 AMSB 的多步釬焊工藝制造的 [1]。
由于這種密封必須防止任何冷卻水或空氣泄漏，因此 ODS-Cu 和 ODS-Cu (ODS-Cu/ODS-Cu) 與 SUS 和 ODS-Cu (SUS/ODS-Cu) 之間的密封連接技術(shù)必須被開(kāi)發(fā)。此外，在獲得散熱器的新結(jié)構(gòu)后，我們必須將 W 裝甲瓦片連接到其上。這意味著應(yīng)該需要多步驟連接來(lái)制造單個(gè)散熱組件。
為了制造新型的散熱組件，研究小組開(kāi)發(fā)了一種名為“高級(jí)多步釬焊（AMSB）”的極其新穎的聯(lián)合技術(shù)。通常，“釬焊”是兩種材料的流行接合技術(shù)，如下面的程序所示。首先，將填充材料插入兩種材料的接合界面。其次，整個(gè)結(jié)構(gòu)被加熱到填充材料的熔化溫度。在熱處理的冷卻階段之后，兩種材料通過(guò)固化后填充材料的粘合力連接起來(lái)。通過(guò)推進(jìn)傳統(tǒng)釬焊，研究小組已于 2016 年開(kāi)發(fā)出將 ODS-Cu 和 W 緊密結(jié)合的技術(shù)。該技術(shù)被稱(chēng)為“高級(jí)釬焊技術(shù)（ABT）”，BNi-6 (Ni-11%P) 用作填充材料，使用碳彈簧和法蘭在垂直于接頭界面的方向上施加~0.54 MPa 的壓縮載荷。然后，整個(gè)結(jié)構(gòu)的后期設(shè)置被加熱到 960 攝氏度以熔化填充材料（圖 2）。
使用 AMSB 的密封連接程序示意圖和 SUS/ODS-Cu 后連接結(jié)構(gòu)的照片。通過(guò)優(yōu)化加熱溫度、時(shí)間和壓縮載荷等釬焊條件，可以獲得具有完全密封條件的極窄結(jié)合層。
此次，課題組多次進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，為密封接頭尋找最佳的加熱溫度、時(shí)間、壓縮載荷等釬焊條件。因此，他們找到了實(shí)現(xiàn)以下所有特殊功能的優(yōu)化條件。整個(gè)結(jié)構(gòu)的后期設(shè)置被加熱到 960 攝氏度以熔化填充材料（圖 2）。此次，課題組多次進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，為密封接頭尋找最佳的加熱溫度、時(shí)間、壓縮載荷等釬焊條件。因此，他們找到了實(shí)現(xiàn)以下所有特殊功能的優(yōu)化條件。整個(gè)結(jié)構(gòu)的后期設(shè)置被加熱到 960 攝氏度以熔化填充材料（圖 2）。此次，課題組多次進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，尋找密封接頭的加熱溫度、時(shí)間、壓縮載荷等優(yōu)化釬焊條件。因此，他們找到了實(shí)現(xiàn)以下所有特殊功能的優(yōu)化條件。
(1) 該接頭可適用于 ODS-Cu/ODS-Cu 和 SUS/ODS-Cu 的組合。
(2) 接頭完全密封。
(3) 接頭是面接觸，不是線(xiàn)狀或點(diǎn)狀接觸。
(4)接頭強(qiáng)度與ODS-Cu的原始強(qiáng)度一樣高。
(5) 即使經(jīng)過(guò)反復(fù)（釬焊）熱處理，接頭也不會(huì)退化。
通過(guò)應(yīng)用特殊功能，AMSB 使我們能夠生產(chǎn) ODS-Cu 散熱器的新結(jié)構(gòu)。
使用AMSB成功生產(chǎn)出新型偏濾器散熱組件。該組件在反應(yīng)堆相關(guān)條件下顯示出出色的排熱能力，約為 30 MW/m2（圖 3）。這種散熱能力是迄今為止世界上最高的散熱性能。
左：AMSB 制造的新型偏濾器散熱組件的照片。大小為 20 mm × 36 mm 的紅色陰影區(qū)域?qū)?yīng)于電子束的熱加載區(qū)域。中：橫截面 3D CAD 圖像以及溫度測(cè)量的位置（A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)）。右：實(shí)驗(yàn)結(jié)果 [1]。W裝甲（A點(diǎn)）和ODS-Cu散熱器（B點(diǎn)）的溫度分別低于1200攝氏度和400攝氏度，即使在30 MW/m2。這些溫度對(duì)于保持該組件的結(jié)構(gòu)可靠性是完全可以接受的。
研究小組的 Tokitani 副教授表示，AMSB 可用于將 ODC-Cu 與除 SUS 和 W 之外的其他材料連接。我們希望在未來(lái)將融合研究中開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用。