包層第一壁等溫正反復(fù)合擠壓和真空擴(kuò)散焊復(fù)合制造方法與流程

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種包層第一壁等溫正反復(fù)合擠壓和真空擴(kuò)散焊復(fù)合制造工藝，屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

聚變堆包層是未來(lái)聚變堆部件的核心，是進(jìn)行中子能量的沉積轉(zhuǎn)換以及氚增殖和屏蔽的關(guān)鍵部件。第一壁是包層模塊中的一個(gè)重要部件，作為包層結(jié)構(gòu)直接面向高溫等離子體的部件，所處的環(huán)境最為惡劣，要直接承受來(lái)自等離子體的高熱負(fù)載0.5MW/m²和強(qiáng)中子壁負(fù)載0.78MW/m²，壁管道通入300℃、8MPa的氦氣，溫度和壓力都較高，需要有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。而且包層第一壁內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為保證流動(dòng)連續(xù)，避免熱載局部升溫，損傷部件，尺寸精度要求較高，同時(shí)需要滿足與其它結(jié)構(gòu)件的焊接匹配要求。因此，對(duì)該部件制造工藝提出了極高的要求。

目前國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER實(shí)驗(yàn)包層模塊TBM采用的結(jié)構(gòu)材料大多為低活化鋼，但其室溫塑性較差，成形困難。對(duì)于包層第一壁，傳統(tǒng)的加工工藝為將矩形管和內(nèi)外平板通過(guò)熱等靜壓擴(kuò)散焊接為一體的三明治法工藝。該工藝認(rèn)為是目前制造低活化鋼包層第一壁的比較好的工藝方法。但該方案中的先彎后焊工藝管件彎曲會(huì)造成一定程度的流道畸變，而且U型彎角經(jīng)熱等靜壓擴(kuò)散焊接后出現(xiàn)二次自由變形，造成尺寸精度降低；而先焊后彎工藝導(dǎo)致整體焊接件彎曲產(chǎn)生的流道畸變無(wú)法進(jìn)行后期校正。其它的制造工藝主要是通過(guò)銑槽、焊接、折彎等工藝按不同順序進(jìn)行復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。但目前制造工藝存在材料利用率和生產(chǎn)效率低、流道組織性能較差、尺寸精度低、工藝不穩(wěn)定等缺陷。熱等靜壓擴(kuò)散連接工藝盡管在試驗(yàn)包層模塊第一壁的組裝中得到了應(yīng)用，但該工藝必須在密封的環(huán)境下，對(duì)待焊件要求很高，且焊接過(guò)程中會(huì)發(fā)生焊縫的二次自由變形，無(wú)法對(duì)其成形精度進(jìn)行控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝上存在的一些不足和局限性，本發(fā)明提供包層第一壁等溫正反復(fù)合擠壓和真空擴(kuò)散焊復(fù)合制造方法，是一種包層第一壁成形成性一體化制造方法，以期提高包層第一壁的形狀尺寸精度，消除矩形流道存在的截面畸變、壁厚偏差的不足，改善顯微組織，保證流線沿輪廓的完整性，進(jìn)一步提高其力學(xué)性能，并同時(shí)提高材料利用率和生產(chǎn)效率。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明包層第一壁等溫正反復(fù)合擠壓和真空擴(kuò)散焊復(fù)合制造工藝的特點(diǎn)是：

采用垂直工藝拆分方案，將包層第一壁的矩形流道進(jìn)行上下拆分形成H型截面，僅在上下封口部分形成U型截面，以保證成形工藝的穩(wěn)定性；

采用等溫精密塑性成形工藝分別制造包層第一壁的H型截面U形件和U型截面U形件，以保證矩形流道等截面、等壁厚、端面平整、流線沿輪廓分布完整、組織細(xì)化；

采用真空壓力擴(kuò)散焊接工藝，將多組H型截面U形件和兩端U型截面U形件進(jìn)行整體一次連接，控制焊縫處的變形量和連接強(qiáng)度，成形出包層第一壁。

本發(fā)明包層第一壁等溫正反復(fù)合擠壓和真空擴(kuò)散焊復(fù)合制造工藝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：采用等溫正反復(fù)合擠壓工藝制造包層第一壁的H型截面U形件流道，采用等溫單向擠壓成形出U型截面U形件。

本發(fā)明包層第一壁等溫正反復(fù)合擠壓和真空擴(kuò)散焊復(fù)合制造方法的特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1：將初始橫截面為矩形的板坯通過(guò)彎曲成形為預(yù)成形U形件；

步驟2：對(duì)于所述預(yù)成形U形件，采用等溫精密塑性成形工藝正反復(fù)合擠壓成形為雙向敞口的H型截面U形件作為第一構(gòu)件；對(duì)于所述預(yù)成形U形件采用等溫精密塑性成形工藝單向擠壓成形為單向敞口的U型截面U形件作為第二構(gòu)件；

步驟3：采用真空擴(kuò)散焊接將第一構(gòu)件以敞口相對(duì)兩兩對(duì)焊；將第二構(gòu)件與處在兩端位置上的第一構(gòu)件以敞口相對(duì)進(jìn)行封裝焊接，成形出包層第一壁。

本發(fā)明包層第一壁等溫正反復(fù)合擠壓和真空擴(kuò)散焊復(fù)合制造方法的特點(diǎn)也在于：在所述步驟3中將多組第一構(gòu)件整體一次連接。

本發(fā)明包層第一壁等溫正反復(fù)合擠壓和真空擴(kuò)散焊復(fù)合制造方法的特點(diǎn)也在是：在所述步驟3中同時(shí)采用兩個(gè)第二構(gòu)件分別對(duì)于處在兩端位置上的第一構(gòu)件以敞口相對(duì)進(jìn)行一次整體封裝焊接。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明采用等溫正反復(fù)合擠壓和真空擴(kuò)散焊復(fù)合制造工藝，將板坯直接成形出聚變堆試驗(yàn)包層模塊第一壁，能夠提高形狀尺寸精度，消除現(xiàn)有制造工藝中存在的矩形流道截面發(fā)生畸變、壁厚存在偏差等不足。

2、本發(fā)明采用等溫正反擠壓復(fù)合成形工藝制造H型截面U形件，能夠改善流線分布、細(xì)化顯微組織、提高力學(xué)性能，避免了現(xiàn)有的采用銑槽方法加工矩形流道的工藝造成的金屬流線被切斷引起的力學(xué)性能下降的不足。

3、本發(fā)明采用等溫正反擠壓復(fù)合成形工藝制造H型截面U形件，一次成形生產(chǎn)兩個(gè)試件，比現(xiàn)有的銑槽工藝大大提高了材料利用率和生產(chǎn)率。

4、本發(fā)明采用真空擴(kuò)散焊接工藝對(duì)H型截面U形件進(jìn)行對(duì)焊，克服了傳統(tǒng)的熔焊方式導(dǎo)致的焊縫過(guò)密、熱應(yīng)力過(guò)大的不足。

5、本發(fā)明采用真空擴(kuò)散焊接工藝對(duì)多組H型截面U形件進(jìn)行對(duì)焊，并且采用兩個(gè)U型截面U形件進(jìn)行封裝焊接，可以在保證產(chǎn)品形狀尺寸精度的條件下實(shí)現(xiàn)多組焊接面的整體擴(kuò)散連接，避免現(xiàn)有的熱等靜壓擴(kuò)散焊工藝對(duì)密封環(huán)境和待焊件要求很高、焊接過(guò)程中會(huì)發(fā)生的二次自由變形、截面變形等缺陷。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中包層第一壁成形過(guò)程示意圖；

圖2為本發(fā)明中包層第一壁中H型截面U形件等溫正反復(fù)合擠壓工藝示意圖；

圖3為本發(fā)明中包層第一壁中U型截面U形件等溫單向擠壓工藝示意圖；

圖中標(biāo)號(hào)：1.板坯，2.預(yù)成形U形件，3.H型截面U形件，4.U型截面U形件，5.試驗(yàn)包層模塊第一壁真空壓力擴(kuò)散焊裝配體，6.包層模塊第一壁，7.第一構(gòu)件上模，8.下模，9.頂出塊，10.第二構(gòu)件上模。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中包層第一壁等溫正反復(fù)合擠壓和真空擴(kuò)散焊復(fù)合制造工藝是：

采用垂直工藝拆分方案，將包層第一壁的矩形流道進(jìn)行上下拆分形成H型截面，僅在上下封口部分形成U型截面，以保證成形工藝的穩(wěn)定性。

采用等溫精密塑性成形工藝分別制造包層第一壁的H型截面U形件和U型截面U形件4，保證流道等截面、等壁厚、端面平整、流線沿輪廓分布完整、組織細(xì)化；具體采用等溫正反復(fù)合擠壓工藝制造包層第一壁的H型截面U形件3流道，采用等溫單向擠壓成形出U型截面U形件。

采用真空壓力擴(kuò)散焊接工藝，將多組H型截面U形件和兩端U型截面U形件進(jìn)行整體一次連接，控制焊縫處的變形量和連接強(qiáng)度，成形出包層第一壁。

參見圖1、圖2和圖3，本實(shí)施例中試驗(yàn)包層模塊第一壁等溫正反復(fù)合擠壓和真空擴(kuò)散焊復(fù)合制造方法是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1：折彎，是將初始橫截面為矩形的板坯1通過(guò)彎曲成形為預(yù)成形U形件2。

步驟2：成形，對(duì)于預(yù)成形U形件2，采用等溫精密塑性成形工藝正反復(fù)合擠壓成形為雙向敞口的H型截面U形件3作為第一構(gòu)件；對(duì)于預(yù)成形U形件2采用等溫精密塑性成形工藝單向擠壓成形為單向敞口的U型截面U形件4作為第二構(gòu)件，該工藝可以保證矩形流道壁厚均勻、端面平整、流線沿輪廓分布完整、組織細(xì)化。

步驟3：焊接，是采用真空擴(kuò)散焊接將第一構(gòu)件以敞口相對(duì)兩兩對(duì)焊，多組第一構(gòu)件整體一次連接，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)包層模塊第一壁矩形流道的連接，在保證焊縫尺寸精度的同時(shí)提高焊縫的連接強(qiáng)度；再將兩個(gè)第二構(gòu)件分別與處在兩端位置上的第一構(gòu)件以敞口相對(duì)進(jìn)行一次整體封裝焊接為試驗(yàn)包層模塊第一壁真空壓力擴(kuò)散焊裝配體5，控制焊縫處的變形量和連接強(qiáng)度，從而成形出試驗(yàn)包層模塊第一壁6。

本實(shí)施例中，由于試驗(yàn)包層模塊第一壁6采用的結(jié)構(gòu)材料為低活化鋼，其室溫塑性較差，成形困難。本發(fā)明采用等溫精密塑性成形工藝，對(duì)于低塑性難變形的材料能夠獲得理想的塑性變形能力，改善材料的流動(dòng)和充填型腔能力。

具體實(shí)施中，是將試驗(yàn)包層模塊第一壁6的矩形流道采用垂直拆分的方式，拆分成四個(gè)H型截面U型件和兩只U型截面U型件；H型截面U型件的筋高比傳統(tǒng)的U形截面U型件減小了一半，且對(duì)稱分布，降低了金屬流動(dòng)阻力，改變了金屬的流動(dòng)方向，型腔較易充填完整，能夠避免成形缺陷，提高成形質(zhì)量。同時(shí)，考慮到載荷的對(duì)稱性和提高生產(chǎn)效率，可以采用一次成形兩個(gè)U形件的成形方式，即將圖2所示的模具和坯料，在U形件開口側(cè)對(duì)稱再放置一套，一次成形兩個(gè)，形成一個(gè)中間不連通的長(zhǎng)方形框。這一方法能夠提高生產(chǎn)率，平衡載荷。

圖2所示為本實(shí)施例中試驗(yàn)包層模塊第一壁中H型截面U形件3等溫正反復(fù)合擠壓工藝示意圖。在正反復(fù)合擠壓過(guò)程中，下模8和頂出塊9固定不動(dòng)，第一構(gòu)件上模7下行，成形出H型截面U型件3，在成形結(jié)束之后，頂出塊9上行，將H型截面U型件3頂出。

圖3所示為本實(shí)施例中包層第一壁中U型截面U形件4等溫單向擠壓工藝示意圖。在單向擠壓過(guò)程中，下模8和頂出塊9固定不動(dòng)，第二構(gòu)件上模10下行，成形出U型截面U型件4。

本實(shí)施例中：板坯是從低活化鋼板上加工出來(lái)的初始坯料，等溫精密塑性成形工藝指坯料在精密塑性成形過(guò)程中，模具溫度始終接近或等于坯料的變形溫度，真空擴(kuò)散焊接是指在真空環(huán)境中，將焊件緊密貼合，在一定溫度和壓力下保持一段時(shí)間，使接觸面之間的原子相互擴(kuò)散形成聯(lián)接的焊接方法。

本發(fā)明采用等溫正反復(fù)合擠壓與真空壓力擴(kuò)散焊工藝相結(jié)合，將板坯直接成形出聚變堆試驗(yàn)包層模塊第一壁，避免了傳統(tǒng)工藝材料利用率和生產(chǎn)效率低、流道組織性能較差、尺寸精度低、工藝不穩(wěn)定等缺陷。由于采用等溫正反復(fù)合擠壓工藝，因此成形零件形狀尺寸精度高、壁厚均勻、流道截面無(wú)畸變。同時(shí)，由于采用真空壓力擴(kuò)散焊工藝進(jìn)行整體對(duì)焊，流道和焊縫組織性能好、材料利用率和生產(chǎn)效率高、工藝穩(wěn)定，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

按現(xiàn)有設(shè)計(jì)的試驗(yàn)包層模塊第一壁是由很多組矩形流道組成的，本實(shí)施例中只是針對(duì)其典型結(jié)構(gòu)提供一種成形方法，實(shí)施例中按部分流道形式進(jìn)行表達(dá)。