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扩散连接钨/304不锈钢及界面残余应力数值模拟

李祥  
【摘要】:钨和钢由于物理性能差异较大,接头在连接和服役的过程中会因极大的残余热应力而失效,这制约了钨/钢材料的发展,同时也成为核聚变堆中偏滤器成功走向应用的一个巨大瓶颈。本文从数值模拟和实验两个方面开展了对钨和钢扩散连接的研究,采用有限元的方法对钨/钢接头的残余应力分布进行了数值分析,通过添加铜、镍中间层扩散连接获得了高质量的钨/钢接头。研究结果表明:钨/钢接头中的最大拉应力σX,+max位于靠近界面和自由边界的钢基体中,最大压应力σX,-max位于靠近自由边界的钨/中间层界面上。在钨/钢接头轴向残余应力σY要远小于径向残余应力σX,径向残余应力σX是接头的残余应力的主要影响因素。钨/钢的等效塑性应变区域主要集中在靠近界面的钢基体中。连接温度的变化对于接头残余应力分布的影响有限。连接温度在980-1080℃变化时,钨/铜/钢接头中最大残余应力的升高幅度仅有70MPa。对于钨/镍/钢接头,连接温度在850-1050℃变化时,最大残余应力的升高幅度仅有不到40 MPa。随着中间层厚度的增加(0.02-0.6 mm),钨/铜/钢接头中最大拉应力σX,+max和最大压应力σX,max都有较大幅度的降低(超过200MPa),接头中最大拉应力σX,+max随着中间层厚度的增加,由钢基体中转移到中间层铜中;钨/镍/钢接头中最大拉应力σX、+max和最大压应力σX,-max随着镍厚度的增加,仅有50 MPa的变化。在扩散连接实验中,通过加入20 μm中间层铜能有效连接钨/钢,接头上并没有明显的化合物形成。由于扩散作用Cu/W界面上形成由多种元素组成的复杂固溶体相,这将强化Cu/W界面,提高接头性能。接头的缺陷主要以裂纹的形式存在于SS/Cu界面上,当连接温度上升到1060℃时,裂纹贯穿整个SS/Cu界面,使得接头性能急剧下降。在1020℃的连接温度下能够获得性能最佳的钨/铜/钢接头。中间层厚度的增加将导致元素的扩散受到限制,钢中的Fe、Ni、Cr等元素无法扩散到Cu/W界面,这使得Cu/W界面性能弱化,进而导致整个接头的强度降低。通过镍中间层能获得高质量的钨/钢接头。连接温度的不同导致Ni/W界面的相组成不同,当连接温度较低时界面只有固溶体相Ni(W),连接温度较高时Ni/W界面由Ni(W)、Ni4W、W(Ni)组成。连接温度为950℃的接头拥有最大的剪切强度,接头的断裂位置均发生在Ni/W界面上。保温时间的延长使得元素扩散行为变得充分,钢中的Fe元素得以扩散进入Ni/W界面,在界面形成固溶体W(Ni,Fe)和Ni(W,Fe),Ni/W界面扩散层厚度增加,但Ni/W界面上出现明显的裂纹,部分区域发现Ni/W界面的化合物发生破裂。


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