新型铜合金接头技术有望提高散热性能
新闻来源：www.021zysy.com 发布时间：2021-06-23 19:03 浏览量：
氧化物弥散强化铜合金（ODS-Cu）在导热性、导电性、耐热性、耐摩擦性等方面具有优异的性能。ODS-Cu的工业应用前景广阔，但与其他材料的接合极其困难。由于其固有的焊接性差。国立自然科学研究院 (NINS) 国立聚变科学研究所 (NIFS) 的 Masayuki Tokitani 博士的研究小组开发了一种极其新颖的联合技术，使我们能够制造任何由 ODS-Cu 制成的组件。该技术对生产聚变反应堆的高效排热组件有很大贡献。
铜合金，例如 ODS-Cu 和钨 (W) 应该用于聚变反应堆中需要最高散热性能的部件中。该组件称为“转向器”。来自聚变反应堆中高温等离子体的大量热量流入由偏滤器的 W 装甲接收。接受的热能然后通过 ODS-Cu 散热器传递到冷却水。对于传统的冷却结构，在散热器中加工出圆柱形的冷却流道。
最近，一种新的冷却结构有望提高散热性能。新结构具有矩形冷却流道通道和流道顶壁上的V形交错肋（图1）。为了打造新的结构，我们必须用 ODS-Cu 或不锈钢 (SUS) 制成的盖子密封预处理的冷却通道。
聚变堆中常规型和新型两种除热部件示意图。新型部件是通过使用 AMSB 的多步钎焊工艺制造的 [1]。
由于这种密封必须防止任何冷却水或空气泄漏，因此 ODS-Cu 和 ODS-Cu (ODS-Cu/ODS-Cu) 与 SUS 和 ODS-Cu (SUS/ODS-Cu) 之间的密封连接技术必须被开发。此外，在获得散热器的新结构后，我们必须将 W 装甲瓦片连接到其上。这意味着应该需要多步骤连接来制造单个散热组件。
为了制造新型的散热组件，研究小组开发了一种名为“高级多步钎焊（AMSB）”的极其新颖的联合技术。通常，“钎焊”是两种材料的流行接合技术，如下面的程序所示。首先，将填充材料插入两种材料的接合界面。其次，整个结构被加热到填充材料的熔化温度。在热处理的冷却阶段之后，两种材料通过固化后填充材料的粘合力连接起来。通过推进传统钎焊，研究小组已于 2016 年开发出将 ODS-Cu 和 W 紧密结合的技术。该技术被称为“高级钎焊技术（ABT）”，BNi-6 (Ni-11%P) 用作填充材料，使用碳弹簧和法兰在垂直于接头界面的方向上施加~0.54 MPa 的压缩载荷。然后，整个结构的后期设置被加热到 960 摄氏度以熔化填充材料（图 2）。
使用 AMSB 的密封连接程序示意图和 SUS/ODS-Cu 后连接结构的照片。通过优化加热温度、时间和压缩载荷等钎焊条件，可以获得具有完全密封条件的极窄结合层。
此次，课题组多次进行钎焊试验，为密封接头寻找最佳的加热温度、时间、压缩载荷等钎焊条件。因此，他们找到了实现以下所有特殊功能的优化条件。整个结构的后期设置被加热到 960 摄氏度以熔化填充材料（图 2）。此次，课题组多次进行钎焊试验，为密封接头寻找最佳的加热温度、时间、压缩载荷等钎焊条件。因此，他们找到了实现以下所有特殊功能的优化条件。整个结构的后期设置被加热到 960 摄氏度以熔化填充材料（图 2）。此次，课题组多次进行钎焊试验，寻找密封接头的加热温度、时间、压缩载荷等优化钎焊条件。因此，他们找到了实现以下所有特殊功能的优化条件。
(1) 该接头可适用于 ODS-Cu/ODS-Cu 和 SUS/ODS-Cu 的组合。
(2) 接头完全密封。
(3) 接头是面接触，不是线状或点状接触。
(4)接头强度与ODS-Cu的原始强度一样高。
(5) 即使经过反复（钎焊）热处理，接头也不会退化。
通过应用特殊功能，AMSB 使我们能够生产 ODS-Cu 散热器的新结构。
使用AMSB成功生产出新型偏滤器散热组件。该组件在反应堆相关条件下显示出出色的排热能力，约为 30 MW/m2（图 3）。这种散热能力是迄今为止世界上最高的散热性能。
左：AMSB 制造的新型偏滤器散热组件的照片。大小为 20 mm × 36 mm 的红色阴影区域对应于电子束的热加载区域。中：横截面 3D CAD 图像以及温度测量的位置（A 点和 B 点）。右：实验结果 [1]。W装甲（A点）和ODS-Cu散热器（B点）的温度分别低于1200摄氏度和400摄氏度，即使在30 MW/m2。这些温度对于保持该组件的结构可靠性是完全可以接受的。
研究小组的 Tokitani 副教授表示，AMSB 可用于将 ODC-Cu 与除 SUS 和 W 之外的其他材料连接。我们希望在未来将融合研究中开发的这项技术应用于工业应用。
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