前言
国际热核聚变实验堆(ITER)计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。该项目中EAST外部超导母线输电线路采用两级超导母线输电线路，分别连接EAST主机和电流引线箱。为了保证ITER母线的绝热稳定性、动态稳定性和低温稳态稳定性，在高温超导电缆YBCO和低温超导电缆NbTi之间设计了双箱搭接结构。该“双箱”搭接接头需将高温超导电缆和低温超导电缆分别焊接在两块铜板上，然后将两块铜板通过搭接方式连接起来。 然而，铜膨胀系数高、耐磨性较差和强度较低限制了其在核工业等领域的应用。因此，采用爆炸焊接、扩散焊接、激光焊接、轧制、磁脉冲焊接、电子束焊接等方法制备出满足导热系数、强度和热膨胀系数要求的复合材料，能够克服单一铜材作为结构材料强度低、强度低的问题。其中，大厚度铜/不锈钢复合构件具有能够充分发挥铜良好的导电性、导热性及耐蚀性，综合利用不锈钢高强度、高耐蚀性的特点，能够应用于“ITER计划”中超导母线“双箱”搭接接头中。 目前，已有学者对铜/不锈钢复合材料的微观结构和力学性能进行了研究。但是，当前研究中大厚度T2铜/316L不锈钢层状复合材料结合界面往往存在波纹尺寸大、微观缺陷多、结合强度低、密封性差等问题，无法满足“ITER计划”中超导母线“双箱”搭接接头所需层状复合材料的抗拉强度、剪切强度和界面波形要求。因此，本研究采用爆炸焊工艺制备了大厚度T2铜/316L不锈钢复合板材，并对焊接接头的显微组织和力学性能进行研究，为后续对铜/不锈钢复合板“双箱”搭接接头的材料的选择提供理论支持。本研究成果“Microstructure and mechanical properties of T2 copper / 316L stainless steel explosive welding composite with small size wavy interface”发表于期刊“Journal of Materials Research and Technology”。
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.12.031
正文
本试验使用爆炸焊工艺，对尺寸为650mm×650mm×18mm的T2铜板（覆板）和尺寸为600mm×600mm×53mm的316L不锈钢板（基板）进行焊接。T2铜/316L不锈钢爆炸焊复合板沿爆轰方向4个不同区域超声检测结果如图1所示。
研究表明，1#区域位于爆轰初始阶段，由于驱动覆板的炸药动能较低，无法形成波浪状界面，且该区域中存在明显的界面回波，这表明1#区域的焊接质量较差。2#区域和3#区域位于稳定爆轰阶段，超声检测结果表明，稳定爆轰阶段可以形成良好的均匀波状界面。4#区域位于爆轰结束阶段，边界效应降低了驱动覆板的动能导致该区域具有界面未结合的现象。
图1 T2铜/316L不锈钢爆炸焊复合板不同区域超声检测结果
T2铜/316L不锈钢爆炸焊复合板位于爆轰增长阶段的图1中2#区域和3#区域界面EBSD分析结果如图2所示。研究表明，由于爆炸焊接高速冲击的影响，T2铜基体和316L不锈钢基体在结合界面附近发生再结晶，晶粒十分细小。离界面越远，晶粒尺寸逐渐增大，接头界面区域晶粒尺寸最小。此外，接头在2#区域的界面附近晶粒尺寸大于3#区域的界面附近晶粒尺寸，T2铜的晶粒尺寸大于316L不锈钢。结果表明，在2#区域，爆轰波呈不稳定的爆轰增长阶段，界面处碰撞压力呈增加趋势。在3#区域，爆轰波达到稳定增长阶段，界面处碰撞压力最大。在这一过程中，T2铜与316L不锈钢结合界面附近区域基材的显微组织发生恢复、再结晶和晶粒细化。
图2 图1中2#区域和3#区域的EBSD分析结果:(a1)、(a2)、(a3) 2#区域的键合界面微观结构和晶粒尺寸;(b1)、(b2)、(b3) 3#区结合界面的微观组织和晶粒尺寸
T2铜/316L不锈钢爆炸焊复合板爆轰增长阶段的2#区域和3#区域拉伸断口表面SEM图像 如图3所示。研究表明，接头结合界面没有出现分层现象，说明了界面区域结合质量较好。在接头断口表面可以看到不同尺寸的韧窝，说明T2铜/316L不锈钢爆炸焊复合板的断裂模式为典型的韧性断裂。与2#区域拉伸断口形貌相比，3#区域断口表面韧窝形状更大、更深。说明3#区域复合板的结合质量较好，界面间原子扩散程度较深，使3#区域复合板的界面变形协调能力优于2#区域。
图3 T2铜/316L不锈钢爆炸焊复合板2 #、3 #区域拉伸断口表面SEM图像
文章亮点
1
使用爆炸焊工艺成功获得了具有小尺寸波状界面的大厚度T2铜/316L不锈钢复合材料。
2
T2铜/316L不锈钢爆炸焊复合板材的拉伸强度、拉拔强度和剪切强度等均大于110 MPa。
3
T2铜/316L不锈钢爆炸焊复合板材结合面由动态再结晶形成了细小晶粒，使得靠近结合面铜侧和不锈钢侧硬度分别达到131HV和432HV。
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