基于粗糙基底的W/316L不銹鋼第一壁系統(tǒng)熱應(yīng)力的研究

劉澤 冷青松 唐琳 王健 張亞飛 曹智 孫付春

1（成都大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 成都 610106）

2（成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 成都 610106）

3（上海船用柴油機(jī)研究所 低溫工程部 上海 201203）

4（中核四〇四有限公司 嘉峪關(guān) 735100）

核聚變是解決人類未來能源問題的重要手段，托卡馬克是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的重要裝置之一［1-2］。在托卡馬克裝置中，由于第一壁材料直接面對(duì)高溫等離子體，因此要承受高通量熱負(fù)荷、中子輻照以及超過500 ℃的高溫等苛刻的服役環(huán)境［3-6］。由于高熱載荷、高粒子流與機(jī)械載荷的共同作用，需要使用具有高熱導(dǎo)率、高熔點(diǎn)、抗輻照性能強(qiáng)的材料。鎢（W）被認(rèn)為是具有潛力的候選材料，因?yàn)樗哂械蜌渫凰販袈省⒏呷埸c(diǎn)、良好的熱穩(wěn)定性和低濺射率［7-10］。另一方面，316L不銹鋼具有強(qiáng)度高、塑性好等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是理想的熱沉材料［11-12］。因此，有研究人員提出，通過在316L不銹鋼表面制備W涂層來作為第一壁材料，并取得了一定成果［13-15］。然而，由于W與316L不銹鋼材料參數(shù)差異過大，在聚變堆高溫環(huán)境溫度下，系統(tǒng)內(nèi)不可避免地產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。交界面的熱應(yīng)力可以轉(zhuǎn)化成剪切應(yīng)力，進(jìn)而造成涂層的開裂、失效。因此，為了提高第一壁涂層的使用壽命，有必要對(duì)W/316L不銹鋼系統(tǒng)中熱應(yīng)力進(jìn)行深入探索。

研究人員通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)涂層系統(tǒng)中熱應(yīng)力進(jìn)行了一定程度的探索，但是由于涂層厚度較薄，實(shí)驗(yàn)測(cè)量熱應(yīng)力比較困難。因此，有必要找到一種有效的方法來評(píng)估涂層中的熱應(yīng)力，而近些年來發(fā)展起來的有限元模擬方法為此提供了一種有效的解決方案。……