新型銅合金接頭技術有望提高散熱性能
新聞來源：www.tjhbrc.com 發布時間：2021-06-23 19:03 瀏覽量：
氧化物彌散強化銅合金（ODS-Cu）在導熱性、導電性、耐熱性、耐摩擦性等方面具有優異的性能。ODS-Cu的工業應用前景廣闊，但與其他材料的接合極其困難。由于其固有的焊接性差。國立自然科學研究院 (NINS) 國立聚變科學研究所 (NIFS) 的 Masayuki Tokitani 博士的研究小組開發了一種極其新穎的聯合技術，使我們能夠制造任何由 ODS-Cu 制成的組件。該技術對生產聚變反應堆的高效排熱組件有很大貢獻。
銅合金，例如 ODS-Cu 和鎢 (W) 應該用于聚變反應堆中需要最高散熱性能的部件中。該組件稱為“轉向器”。來自聚變反應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 ODS-Cu 散熱器傳遞到冷卻水。對于傳統的冷卻結構，在散熱器中加工出圓柱形的冷卻流道。
最近，一種新的冷卻結構有望提高散熱性能。新結構具有矩形冷卻流道通道和流道頂壁上的V形交錯肋（圖1）。為了打造新的結構，我們必須用 ODS-Cu 或不銹鋼 (SUS) 制成的蓋子密封預處理的冷卻通道。
聚變堆中常規型和新型兩種除熱部件示意圖。新型部件是通過使用 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必須被開發。此外，在獲得散熱器的新結構后，我們必須將 W 裝甲瓦片連接到其上。這意味著應該需要多步驟連接來制造單個散熱組件。
為了制造新型的散熱組件，研究小組開發了一種名為“高級多步釬焊（AMSB）”的極其新穎的聯合技術。通常，“釬焊”是兩種材料的流行接合技術，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，整個結構被加熱到填充材料的熔化溫度。在熱處理的冷卻階段之后，兩種材料通過固化后填充材料的粘合力連接起來。通過推進傳統釬焊，研究小組已于 2016 年開發出將 ODS-Cu 和 W 緊密結合的技術。該技術被稱為“高級釬焊技術（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，整個結構的后期設置被加熱到 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 后連接結構的照片。通過優化加熱溫度、時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合層。
此次，課題組多次進行釬焊試驗，為密封接頭尋找最佳的加熱溫度、時間、壓縮載荷等釬焊條件。因此，他們找到了實現以下所有特殊功能的優化條件。整個結構的后期設置被加熱到 960 攝氏度以熔化填充材料（圖 2）。此次，課題組多次進行釬焊試驗，為密封接頭尋找最佳的加熱溫度、時間、壓縮載荷等釬焊條件。因此，他們找到了實現以下所有特殊功能的優化條件。整個結構的后期設置被加熱到 960 攝氏度以熔化填充材料（圖 2）。此次，課題組多次進行釬焊試驗，尋找密封接頭的加熱溫度、時間、壓縮載荷等優化釬焊條件。因此，他們找到了實現以下所有特殊功能的優化條件。
(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，不是線狀或點狀接觸。
(4)接頭強度與ODS-Cu的原始強度一樣高。
(5) 即使經過反復（釬焊）熱處理，接頭也不會退化。
通過應用特殊功能，AMSB 使我們能夠生產 ODS-Cu 散熱器的新結構。
使用AMSB成功生產出新型偏濾器散熱組件。該組件在反應堆相關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 的紅色陰影區域對應于電子束的熱加載區域。中：橫截面 3D CAD 圖像以及溫度測量的位置（A 點和 B 點）。右：實驗結果 [1]。W裝甲（A點）和ODS-Cu散熱器（B點）的溫度分別低于1200攝氏度和400攝氏度，即使在30 MW/m2。這些溫度對于保持該組件的結構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。我們希望在未來將融合研究中開發的這項技術應用于工業應用。
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