楊宗輝，沈以赴，張 旭，李曉泉

(1.南京工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211167;2.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211067)

0 引 言

目前，無論是國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER或其下一步的聚變示范堆DEMO，還是ITER成員國建立的各核聚變裝置，如我國的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST、美國的托卡馬克核聚變反應(yīng)堆TFTR、日本的等離子體臨界實(shí)驗(yàn)裝置JT-60和歐盟的歐洲聯(lián)合環(huán)JET等，均為磁約束核聚變堆實(shí)驗(yàn)裝置，即托卡馬克裝置[1]。托卡馬克裝置中的面向等離子體材料需要經(jīng)受強(qiáng)烈的熱沖擊和物理、化學(xué)沖刷，工作環(huán)境極端惡劣。鎢因具備高熔點(diǎn)、高濺射門檻值、低濺射率、低蒸氣壓、良好的熱導(dǎo)率和高溫強(qiáng)度以及尺寸穩(wěn)定、不會與氚形成混合物或發(fā)生共沉積等顯著優(yōu)點(diǎn)，和碳基材料一起被選定為未來最有希望用于托卡馬克裝置的面向等離子體材料[2,3]。但是鎢為難加工和本質(zhì)脆性材料，全鎢結(jié)構(gòu)的零部件難以加工成形且使用不安全，采用鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)替代全鎢結(jié)構(gòu)可以解決這個(gè)問題。托卡馬克裝置中，無論是偏濾器，還是包層第一壁，面向等離子體材料鎢均需要和低活化鋼進(jìn)行高質(zhì)量連接，形成可工作于極端苛刻條件的鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)。托卡馬克裝置中偏濾器和包層第一壁對應(yīng)的兩種鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖1所示：偏濾器中鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接形式為管-管對接，管內(nèi)徑13 mm，壁厚2.5 mm左右[4]；包層第一壁中鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接形式則屬于大平面連接，連接面積達(dá)到1 400 mm×1 400 mm[5, 6]。

圖1 核聚變堆托卡馬克裝置中的鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)Fig.1 Tungsten/steel composite structures in Tokamak device of nuclear fusion reactor: (a) tungsten/steel composite structure of diverter and (b) tungsten/steel composite structure of the first wall of blanket (screenshot)

鎢與鋼的熔點(diǎn)相差很大，普通熔化焊無法完成焊接，目前主要采用釬焊、固相擴(kuò)散焊、瞬間液相擴(kuò)散焊等方法進(jìn)行連接或采用等離子噴涂的方法在鋼表面制備鎢涂層。鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接主要存在4個(gè)方面的難題：(1)鎢與鋼的熱膨脹系數(shù)相差很大，其中鎢的線膨脹系數(shù)為4.4×10-6K-1，而鋼的線膨脹系數(shù)約為12.0×10-6K-1，導(dǎo)致在連接和服役過程中鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力，容易沿結(jié)合界面開裂；(2)鎢與鐵元素容易形成脆性金屬間化合物，難以通過直接連接獲得連接強(qiáng)度較高的鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)；(3)鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的服役溫度達(dá)到700 ℃左右，要求接頭有很強(qiáng)的耐熱性；(4)鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)在強(qiáng)中子輻射環(huán)境中工作，要求接頭耐輻射，且最好不采用高活性的釬料或中間層材料?？梢姡糜诤司圩兌淹锌R克裝置中的鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)不但難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量連接，而且性能要求也非?？量?。目前，核聚變堆托卡馬克裝置中的鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接成為非常具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。為給相關(guān)研究人員提供參考，作者對鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接技術(shù)、連接接頭的熱應(yīng)力與降應(yīng)力方法以及連接接頭的力學(xué)性能等3個(gè)方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并重點(diǎn)分析了各連接技術(shù)及其對應(yīng)釬料或中間層材料所存在的問題，對比分析了不同連接技術(shù)及工藝所制備的鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接接頭的力學(xué)性能與斷裂位置。

1 鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 釬焊制備鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)

釬焊屬于液相連接，對鎢、鋼母材的連接表面加工精度要求低，低壓和無壓連接均可實(shí)現(xiàn)鎢與鋼的有效連接。和其他異種材料釬焊一樣，鎢/鋼釬焊的關(guān)鍵在于釬料。液態(tài)銅由于對鎢和鋼的潤濕性好，不會與鎢形成有害的金屬間化合物且添加一些合金元素可以使銅釬料與鎢母材產(chǎn)生冶金結(jié)合，因此發(fā)展了較多的銅基釬料，如無氧銅[7]、Cu-Ti[8-10]和Cu-Ge合金等[11]。但是，銅基釬料的耐熱性有限。鎳基釬料在連接強(qiáng)度和耐熱性方面具有明顯優(yōu)勢，同時(shí)，鎳基釬料對鎢和鋼的潤濕性均良好且都易形成冶金結(jié)合。鎢/鋼釬焊用鎳基釬料包括Ni-Cr-Si-B[12-13]、Ni-Cr-Fe-Si-B[14]、Ni-Cr-Fe-Si[15]、Ni-Cr-Fe[16]、Ni-Mn[17]、Ni-Ti[18]、Ni-Cu[19]和Ni-Fe合金[20]等。Ni-Ti和Ni-Cr-Fe合金釬料由于熔點(diǎn)過高，需要采用激光熔釬焊[18]或電弧熔釬焊[16]，因而無法用于包層第一壁鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接。Ni-Cr-Fe-Si-B或Ni-Cr-Fe-Si合金釬料加入了降熔點(diǎn)元素硅和硼，其熔點(diǎn)顯著降低，可很好地適應(yīng)爐中釬焊；但由于硅和硼的加入量超過在鎳中的固溶度，釬縫中會形成脆性硼化物或硅化物，顯著降低了鎢/鋼接頭的塑韌性。

銅基釬料和鎳基釬料都具有一定活性，鐵基釬料活性相對較低，能更好地適應(yīng)核輻射工作環(huán)境。鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)用鐵基釬料包括Fe-Cr-Si-B[21]、Fe-B-Si[22]和Fe-Mn-B-Si-Sn合金[23]等。把鐵基釬料制備成非晶態(tài)可降低熔點(diǎn)，但依然不低于1 200 ℃，過高的釬焊溫度使鎢母材中的鎢原子溶入到鐵基釬料中形成脆性Fe7W6金屬間化合物，導(dǎo)致鎢/鋼接頭的力學(xué)性能降低；同時(shí)，鐵基釬料也無法解決鎢、鋼之間線膨脹系數(shù)不適配的問題，形成的釬縫硬度高，不能通過屈服變形釋放熱應(yīng)力。因此，鐵基釬料鎢/鋼釬焊接頭還存在殘余熱應(yīng)力過大的問題。

目前大部分的釬焊方法為爐中釬焊。受制于母材特別是鋼母材在高溫連接過程的組織變化，爐中釬焊不能采用高熔點(diǎn)釬料；使用高熔點(diǎn)釬料時(shí)可以采用局部加熱方法，如采用激光或電弧加熱以熔釬焊原理連接鎢和鋼[16,18]。但激光加熱和電弧加熱都屬于局部非均衡加熱，焊接過程中必然會產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力，而鎢為本征脆性材料，對熱應(yīng)力很敏感，容易在熱應(yīng)力下開裂。

1.2 固相擴(kuò)散焊制備鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)

相比釬焊，固相擴(kuò)散焊可在較低的連接溫度下獲得耐熱性更好、強(qiáng)度更高的鎢/鋼接頭，但鎢與鋼直接進(jìn)行固相擴(kuò)散連接會使兩者界面形成脆性金屬間化合物和碳化物[24-25]。鎢/鋼固相擴(kuò)散焊的關(guān)鍵在于選擇或設(shè)計(jì)合適的中間層。目前開發(fā)出的鎢/鋼固相擴(kuò)散焊中間層有軟質(zhì)中間層，如鎳[26-27]、銅[28-29]和鎳-鐵合金[30]等，也有硬質(zhì)中間層，如鈦[31-32]、釩[33-34]和鈮[35]等。從界面冶金結(jié)合質(zhì)量看，中間層與母材的結(jié)合區(qū)最好能形成固溶體組織，而不要形成連續(xù)的脆性金屬間化合物。但是，目前還沒有找到一種中間層材料可與鎢母材和鋼母材在結(jié)合區(qū)只形成固溶體。鎳中間層能和鋼母材在結(jié)合界面形成純粹的固溶體組織，但與鎢母材容易形成脆性Ni4W金屬間化物；釩、鈮與鎢母材在結(jié)合界面能形成高強(qiáng)度的固溶體組織，但與鋼母材會形成VC[33]、NbC[35]等脆性化合物。

鎢/鋼固相擴(kuò)散焊中間層的選擇還需要充分考慮工藝問題。對于常規(guī)的軸向壓力擴(kuò)散焊，軸向壓力大小受到限制，因?yàn)閴毫^大會引起鋼母材變形，甚至引起鎢母材開裂。硬質(zhì)中間層在常規(guī)軸向壓力下不會發(fā)生塑性變形，要使硬質(zhì)中間層與鎢母材完全貼合，對二者的平面度和表面粗糙度加工要求很高。利用熱等靜壓(HIP)固相擴(kuò)散焊來連接則可解決這個(gè)問題，其連接壓力可以達(dá)到150 MPa，確保了鎢母材/硬質(zhì)中間層/鋼母材連接界面的全焊合且不會造成母材嚴(yán)重變形。

1.3 瞬間液相擴(kuò)散焊制備鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)

瞬間液相擴(kuò)散焊是一種綜合了釬焊和固相擴(kuò)散焊優(yōu)點(diǎn)的新型焊接方法，在較低的壓力和溫度條件下，能獲得比釬焊強(qiáng)度更高且更耐熱的連接接頭，并且對連接表面的粗糙度、清潔度要求低。作者以銅/Ni-W混合粉末/鎳作為復(fù)合中間層瞬間液相擴(kuò)散焊連接鎢和鋼[36]，連接過程中銅層先熔化形成液相，然后Ni-W層中的鎳原子向銅液中逐漸擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)等溫凝固而連接鎢和鋼，但等溫凝固層中銅元素含量高，使接頭耐熱性受到影響。馬運(yùn)柱等[37]以鈦/銅作為復(fù)合中間層采用瞬間液相擴(kuò)散焊連接鎢和鋼，鈦與銅共晶反應(yīng)形成液相后再與剩余的銅層互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)等溫凝固，該方法的不足之處在于等溫凝固區(qū)會形成Ti-Cu金屬間化合物，且接頭的耐熱性不高。以鋯/銅作為復(fù)合中間層也可實(shí)現(xiàn)鎢和鋼的瞬間液相擴(kuò)散焊連接[38]。上述瞬間液相擴(kuò)散焊連接實(shí)際上是經(jīng)典瞬間液相擴(kuò)散焊連接方法的外延。在經(jīng)典瞬間液相擴(kuò)散焊連接中，中間層首先熔化，然后液相中的硼、硅等降熔點(diǎn)元素快速向母材擴(kuò)散以實(shí)現(xiàn)中間層的等溫凝固，從而獲得耐高溫的瞬間液相擴(kuò)散焊連接接頭并避免在接頭中形成硼化物和硅化物等脆性相；但受制于鎢母材和鋼母材特性，硼、硅等降熔點(diǎn)元素?zé)o法實(shí)現(xiàn)向鎢或鋼母材快速擴(kuò)散，因此目前未見利用經(jīng)典瞬間液相擴(kuò)散焊連接原理實(shí)現(xiàn)鎢和鋼連接的研究報(bào)道。

1.4 等離子噴涂制備鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)

等離子噴涂制備鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法是在鋼表面制備鎢涂層。目前用于制備鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的等離子噴涂方法包括大氣等離子噴涂[39-40]和真空等離子噴涂[41-42]。等離子噴涂制備鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)需要解決2個(gè)重要技術(shù)問題，一是鎢涂層與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度問題[43]，二是鎢涂層致密性問題[41,44]。雖然這2個(gè)技術(shù)問題目前還沒有很好的解決辦法，但等離子噴涂效率高，很適合包層第一壁鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備，同時(shí)可避免引入其他元素所帶來的核環(huán)境適應(yīng)問題。因此，等離子噴涂制備鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)有著很好的應(yīng)用前景。

2 鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力及降應(yīng)力方法

異種材料連接的一個(gè)突出問題在于連接過程中會產(chǎn)生很大的接頭熱應(yīng)力;鎢與鋼的熱膨脹系數(shù)相差過大，接頭熱應(yīng)力問題非常嚴(yán)重。馬運(yùn)柱等[45]對不添加中間層的鎢/鋼固相擴(kuò)散焊接頭進(jìn)行殘余應(yīng)力數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)靠近鎢/鋼接頭附近的鎢母材內(nèi)部最大徑向殘余壓應(yīng)力達(dá)到1 093 MPa。THOMAS等[46]在鋼基體上直接進(jìn)行真空等離子噴涂制備鎢涂層，發(fā)現(xiàn)極大的殘余應(yīng)力導(dǎo)致近鎢涂層產(chǎn)生了大量的裂紋，數(shù)值模擬表明最大殘余應(yīng)力達(dá)到1.1 GPa。因此，降低熱應(yīng)力成為鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接的關(guān)鍵問題。

鎢/鋼釬焊時(shí)，無論是銅基釬料還是鎳基釬料，其線膨脹系數(shù)都和鎢母材存在很大差異，甚至大于鎢與鋼之間的差異。為了降低線膨脹系數(shù)差異所產(chǎn)生的接頭熱應(yīng)力，使釬縫能夠適應(yīng)核聚變堆中苛刻的熱循環(huán)工況，線膨脹系數(shù)小或屈服強(qiáng)度低的薄層材料常被嵌入到釬料中進(jìn)行鎢/鋼釬焊，如釩[6,11,20]、鉭[14]、Fe-Ni合金[21]和銅[47]等薄層材料，但薄層材料的嵌入增加了釬焊工藝的難度。此外，異種材料連接接頭中的異質(zhì)界面為性能薄弱區(qū)，薄層材料的嵌入使鎢/鋼釬焊接頭由原來的2個(gè)異質(zhì)界面增加至4個(gè)異質(zhì)界面，降低了釬焊接頭的可靠性。

相比鎢/鋼釬焊，鎢/鋼固相擴(kuò)散焊在控制接頭熱應(yīng)力方面有一定的優(yōu)勢，鎢/鋼固相擴(kuò)散焊可以選擇一些純金屬中間層來降低接頭熱應(yīng)力，如前面提到的鎳、銅軟質(zhì)中間層和鈦、鈮硬質(zhì)中間層。軟質(zhì)中間層的屈服強(qiáng)度低，在連接過程中通過微屈服釋放熱應(yīng)力；而硬質(zhì)中間層則因線膨脹系數(shù)介于鎢與鋼之間，可降低鎢/鋼接頭熱應(yīng)力。同時(shí)，可以把軟質(zhì)中間層和硬質(zhì)中間層兩者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)軟質(zhì)/硬質(zhì)疊層中間層，從而更好地降低鎢/鋼接頭的熱應(yīng)力，如銅/釩[48]、鎳/鈦[49]、鎳/釩[50]和鎳/鈮[51]等中間層。蔡青山等[48]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，鎢/鋼直接固相擴(kuò)散焊接頭的殘余應(yīng)力為900 MPa左右，而以銅/釩及鎳/釩為復(fù)合中間層釬焊的接頭殘余應(yīng)力分別下降至780，600 MPa左右，但最大殘余應(yīng)力均集中在近界面的鎢母材中。

把粉末燒結(jié)和固相擴(kuò)散焊相結(jié)合，可以制備線膨脹系數(shù)可調(diào)節(jié)的合金中間層，進(jìn)而更加靈活地調(diào)控鎢/鋼接頭熱應(yīng)力。粉末燒結(jié)過程可以和鎢/鋼連接過程同時(shí)進(jìn)行，如利用鈦/鐵混合粉末作為中間層置于鎢與鋼之間，在高溫和壓力作用下，鈦/鐵混合粉末通過固相燒結(jié)形成Ti-Fe合金中間層，同時(shí)Ti-Fe合金中間層與母材實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合[52]。粉末燒結(jié)過程也可以在連接前完成，如先采用高壓燒結(jié)法制備Fe-Cr-W合金，然后把Fe-Cr-W合金作為中間層連接鎢/鋼[53-54]。粉末燒結(jié)和固相擴(kuò)散焊相結(jié)合還可以制備成分及性能呈梯度變化的中間層，理論上具有最好的降熱應(yīng)力效果，但梯度中間層近鎢母材端的成分接近純鎢，而鎢與鎢直接連接困難，必須采用另外的中間層材料，這會破壞從鎢母材到中間層的成分及性能梯度變化特性。

等離子噴涂制備涂層方法便于在鎢涂層和鋼基體之間制備出功能梯度中間層[55-57]，在抗熱應(yīng)力方面具有很大的優(yōu)勢。等離子噴涂方法制備的功能梯度鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠抵抗至少0.19 GW·m-2的熱沖擊，并在350～550 ℃下可以經(jīng)受500次熱疲勞而不出現(xiàn)任何損壞[58-59]。使用等離子噴涂技術(shù)可以沉積厚度達(dá)2 mm的鎢涂層，其中功能梯度層為1.2 mm、純鎢涂層為0.8 mm[58]。有限元模擬表明，當(dāng)功能梯度層厚度超過1.2 mm時(shí)，EUROFER基板每次熱循環(huán)的最大蠕變應(yīng)變顯著降低[60-61]，因此功能梯度層厚度控制在1.2 mm為佳。此外，功能梯度涂層還減少了鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)過程的非彈性應(yīng)變，較小的非彈性應(yīng)變有利于改善鎢層的力學(xué)性能，從而提高鎢層的抗裂性[56]，進(jìn)一步提升了鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗熱應(yīng)力能力。

3 鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接接頭的力學(xué)性能

鎢/鋼接頭力學(xué)性能是其界面結(jié)合質(zhì)量和殘余應(yīng)力水平的綜合體現(xiàn)，目前大部分鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接研究都進(jìn)行了接頭力學(xué)性能測試。表1為近年來國內(nèi)外部分研究給出的鎢/鋼接頭力學(xué)性能和斷裂位置，表1中，σb為抗拉強(qiáng)度,τ為抗剪強(qiáng)度。

表1 鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接接頭的力學(xué)性能與斷裂位置

采用鎳基釬料，并嵌入鉭、銅、鈮作為應(yīng)力緩釋層釬焊的鎢/鋼接頭抗拉強(qiáng)度均達(dá)到280 MPa左右，斷裂也發(fā)生在近界面的鎢母材中[13,62]。但同樣采用鎳基釬料，嵌入釩薄層作為應(yīng)力緩釋層釬焊的鎢/鋼接頭抗拉強(qiáng)度只有143 MPa，其原因在于釩與鎳基釬料中的硼元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了脆性V-B化合物，斷裂發(fā)生在釩薄層與釬縫的結(jié)合界面[63]。由高鈦含量的釬料所制備的鎢/鋼連接接頭強(qiáng)度普遍低于由鎳基釬料所制備的連接接頭，最低只有84 MPa，斷裂主要發(fā)生在鎢母材/釬縫界面[64]。但是，以鈦/銅/鈦?zhàn)鳛殁F料層采用熱等靜壓工藝釬焊的鎢/鋼接頭獲得了相當(dāng)高的強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度達(dá)到248 MPa[65]；熱等靜壓釬焊時(shí)高達(dá)100 MPa的連接壓力對于強(qiáng)度的提高起到了重要作用，同時(shí)鈦/銅/鈦?zhàn)鳛殁F料層的釬焊機(jī)制為反應(yīng)釬焊，減少了接頭中形成的脆性金屬間化合物的量，且反應(yīng)后留有的純銅層起到了應(yīng)力緩釋層的作用。值得注意的是，以純銅作為釬料，雖然銅與鎢冶金不相容，但仍然具有260 MPa的高抗剪強(qiáng)度[7]，并且斷裂沒有發(fā)生在連接界面，其結(jié)合機(jī)制值得進(jìn)一步研究。作為一種不含鎳、銅等活性元素的Sn-Fe-Ti-Fe-Sn合金釬料[66]能夠制備出強(qiáng)度為185 MPa的鎢/鋼釬焊接頭具有很好的創(chuàng)新性，為以后不含活性化學(xué)元素的鎢/鋼釬焊用釬料的研制提供了新思路。

對于鎢/鋼固相擴(kuò)散焊，鈦?zhàn)鳛橹虚g層制備的鎢/鋼接頭強(qiáng)度普遍較低，而以鎳和釩作為中間層制備的鎢/鋼連接接頭強(qiáng)度明顯提高，達(dá)到230 MPa左右[27,34,74]。以鈦為中間層的鎢/鋼接頭均在鈦/鋼界面斷裂，說明鎢/鈦/鋼接頭中的鈦/鋼界面為接頭薄弱區(qū)。以鈦與銅為復(fù)合中間層并采用高壓力連接后，接頭抗拉強(qiáng)度則可升至323 MPa[72]，其斷裂也發(fā)生在鈦/鋼界面處，這說明鈦與鎢可以形成抗拉強(qiáng)度達(dá)到323 MPa以上的固相擴(kuò)散連接界面，但前提是采用很高的連接壓力(100 MPa)；在普通連接壓力10 MPa的工藝條件下，同樣采用軟硬結(jié)合的鈦/鎳復(fù)合中間層，鈦/鎢界面的抗拉強(qiáng)度只有267 MPa[73]。以釩作為中間層的固相擴(kuò)散連接接頭，無論是釩/鎢界面，還是釩/鋼界面，均具有很好的連接強(qiáng)度，斷裂全部或大部分發(fā)生在近界面的鎢母材中，采用釩/銅復(fù)合中間層后，由于低屈服強(qiáng)度的銅具有良好的應(yīng)力緩釋作用，鎢/釩/銅/鋼接頭強(qiáng)度達(dá)到了402 MPa[48]。鎳作為中間層和鎢形成連續(xù)的界面化合物，鎢/鎳/鋼接頭也均在鎳/鎢界面斷裂，只要控制連接工藝參數(shù)，鎢/鎳/鋼接頭也能獲得較高的連接強(qiáng)度[27, 74]。同是采用純銅作為釬料或中間層材料，釬焊或固相擴(kuò)散焊所制備的鎢/鋼接頭具有相近的連接強(qiáng)度，但斷裂位置分別位于近界面的鎢母材中和銅/鋼界面[7,27]。鈮中間層能和鎢母材形成高強(qiáng)度的固相擴(kuò)散結(jié)合，但是鈮與鋼母材中的碳會形成脆性NbC層，所以斷裂發(fā)生在鈮/鋼界面，但接頭抗拉強(qiáng)度超過只以釩作為中間層的鎢/鋼接頭，達(dá)到277 MPa[35]。

關(guān)于瞬間液相擴(kuò)散連接鎢/鋼接頭的力學(xué)性能研究較少，馬運(yùn)柱等[37]以Ti-Cu合金為中間層采用瞬間液相擴(kuò)散連接鎢與鋼，連接強(qiáng)度達(dá)到412 MPa，超過其他工藝制備的鎢/鋼接頭，說明該方法在鎢/鋼連接中很有研究前景。

需要注意的是，受制于鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接試樣本身的尺寸局限性，目前各研究制備的接頭力學(xué)性能測試試樣的形狀與尺寸并沒有統(tǒng)一規(guī)格，因此各研究所獲得的鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接接頭的力學(xué)性能數(shù)據(jù)并不具備完全的相互可比性。

4 結(jié)束語

對于鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接技術(shù)，目前主要發(fā)展了釬焊、固相擴(kuò)散焊、瞬間液相擴(kuò)散焊和在鋼表面等離子噴涂鎳涂層等4種方法。對于釬焊、固相擴(kuò)散焊和瞬間液相擴(kuò)散焊，已發(fā)展出多種成分體系的釬料和多種不同材料的中間層。但是，受限于鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)接頭連接的固有難度及接頭服役環(huán)境的極端苛刻要求，目前對于采用什么樣的釬料或中間層材料來實(shí)現(xiàn)鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接尚沒有形成一致看法。鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力研究主要還是采用數(shù)值模擬方法，其準(zhǔn)確性還有待發(fā)展合適的試驗(yàn)方法來驗(yàn)證。相對于釬焊和固相擴(kuò)散焊，能方便制備鎢/鐵功能梯度層的等離子噴涂法在控制鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力方面具有顯著優(yōu)勢。鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接接頭的力學(xué)性能研究目前主要處于室溫下抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度的測試與分析階段，而鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接所采用的釬料或中間層的化學(xué)成分均有別于母材，釬縫或中間層與母材形成的異質(zhì)結(jié)合界面經(jīng)高強(qiáng)度輻照后，力學(xué)性能肯定會發(fā)生很大變化，但目前國內(nèi)外對此鮮有研究。

今后，還需從以下3方面對鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)連接開展深入研究：其一，對鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方面的測試與分析，包括接頭的導(dǎo)熱性、抗熱疲勞性及高溫與強(qiáng)輻射環(huán)境下工作的可靠性等，再根據(jù)測試結(jié)果及原因分析不斷改進(jìn)連接方法與工藝；其二，制定出標(biāo)準(zhǔn)化測試方法，特別是標(biāo)準(zhǔn)化鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及抗熱震性能的測試試樣，以提高測試結(jié)果的可靠性并便于不同連接方法與工藝下性能的比較；其三，根據(jù)核聚變堆對鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的功能需求，確定偏濾器及包層第一壁對于各自鎢/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性能的優(yōu)先順序及指標(biāo)。