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本论文针对EAST装置第一壁对高热负荷部件的要求,对石墨/铜连接以及钨/铜连接模块进行了热负荷实验研究、数值模拟以及微观结构分析研究,对相关关键技术进行了评价。
石墨与铜热沉机械连接结构模块可以承受2.2MW/m2热负荷,柔性石墨作为适配层可以很好的改善石墨与铜热沉之间的热接触,但热负荷为3.6MW/m2时表面温度将超过碳材料的使用范围。该结构可以在HT-7限制器上以及EAST装置中的低负荷或中等负荷区域使用。对采用Ti-Zr-Ni-Cu合金作为焊料的石墨与铜直接钎焊工艺以及插入Mo/Cu、Cu/Mo/Cu、Cu/Ni/Cu、Cu/Ti/Cu中间层的钎焊工艺进行了初步研究。
在5MW/m2热功率密度下对钨铜模块进行了热力学性能分析。由于具有最低的表面温度以及较低的应力,选择PFM厚度为4mm和水管距界面为4mm作为模块的结构设计。与纯钨相比,喷涂钨涂层作为PFM时由于其较低的热导率将使表面温度大幅上升,力学性能也有所变化,裂纹或缺陷更容易发生在钨涂层材料上。为了减小残余应力,设计了不同结构的钨铜功能梯度材料并分析其力学性能。
采用爆炸焊接、等离子体喷涂和热压技术制备的钨铜模块都承受了5MW/m2的热负荷,实验和微观结构分析表明采用热压技术制各的、以钨铜合金为中间层、以纯钨板为PFM的模块具有最好的传热性能和结构可靠性。热负荷实验后,在等离子体喷涂钨涂层模块中,厚膜钨涂层(约0.9 mm)表面出现裂纹和分层,表明厚涂层技术仍需改进。采用热压连接的、以钨铜功能梯度材料作为中间层的钨铜模块(钨4mm)在铜—侧界面附近出现较大缺陷,表明钨铜功能梯度材料的制备及连接工艺仍需改进。以钨铜合金作为中间层、以纯钨板作为面对等离子体材料、以热压技术进行连接是实现EAST高热负荷部件钨铜连接的较为可能的技术与工艺路线。