[发明专利]一种铌钢复合构件的制备方法

说明书

本发明公开了一种铌/钢复合件的热等静压制备方法。该方法包括下述步骤：A)铌、钢件的准备：根据产品的要求，准备不同厚度的铌、钢件，并对所述铌、钢件表面进行清洗；B)装配：将清洗后的铌、钢件组装在一起；C)封焊：按照铌/钢复合件的结构，在真空或气氛保护下进行封焊；D)热等静压：将步骤C)封焊后的铌/钢复合件进行热等静压处理，即得。本发明铌/钢复合构件，界面形状可控，过渡层厚度均匀，界面剪切强度优于基体的铌钢复合板，同时可实现不同厚度铌、钢的自由组合，且生产工艺简单，成本低等优点。

技术领域

本发明属于射频超导粒子加速器技术领域，主要用于射频超导谐振腔液氦槽，具体涉及采用热等静压扩散连结技术制备面向射频超导谐振腔用铌钢复合构件的方法。

背景技术

随着核物理、高能粒子物理、基础材料科学以及生命科学的发展，人类迫切需要高能量和高流强的粒子加速器。谐振加速腔是粒子加速器的关键部件之一，相比于常温谐振加速腔，采用射频超导(Superconducting Radio Frequency)技术的谐振加速腔具有极低的热损耗、高的加速梯度和较高的束流稳定性，使其可以在长脉冲(连续波模式)、高流强粒子加速器中具有诸多优势，被国际上前沿领域的粒子加速器装置所青睐。

超导腔体运行时需要浸泡在氦槽的液氦中才能保证其具有超导性能。由于钛具有与铌相接近的热膨胀系数被用于已有的大部分超导腔体氦槽的加工，但是存在焊接工艺复杂化、成型困难、成本过高等缺点限制了新腔型的发展和增加了加速器建造成本。为了解决该问题，国内外实验室一直在寻找一种钛的代替材料用于超导腔体氦槽的加工。由于316L不锈钢具有较低的成本、焊接工艺简单及容易成型等特点被国际上已经运行的大型超导直线加速器中超导腔体或某些处于研制阶段的超导腔体所采用。但是铌和316L不锈钢热膨胀系数差别过大(1:2.6)给焊接带来挑战，同时不锈钢氦槽在多次873K到2K冷热循环中积累的热应力和液氦环境下调谐力双重作用下，给超导腔体的真空泄漏带来很大风险。因此，如果不锈钢氦槽可以长期稳定服役，需要选择合适的焊接方法进行铌和不锈钢的连接。

目前国际上通常采用真空钎焊和爆炸焊接方法进行铌和不锈钢之间的连接，当连接方案中尺寸较小时(铌管内直径小于45mm)，真空钎焊方法制备的铌和不锈钢具有高的力学性能、可靠的真空性能和低的成本，当尺寸较大时(铌管内直径大于45mm)，会造成焊缝厚度一致性差，从而使其力学和真空性能差，无法在液氦环境下长期稳定工作。爆炸焊接方法制备的铌和不锈钢过渡件的结合面不平整，为波浪状结构，该结构使过渡件结合面具有低的剪切强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铌/钢复合件的热等静压制备方法。该方法制备的铌/钢复合件具有界面形状可控，过渡层厚度均匀，界面剪切强度优于基体，铌、钢层厚度可调、综合使用成本低等优点。

本发明所提供的铌/钢复合件的制备方法，包括铌、钢件的准备、装配、封焊、热等静压扩散焊接4个主要步骤，其具体步骤如下：

A)铌、钢件的准备：根据产品的要求，准备相应尺寸的铌、钢件，并对所述铌、钢件进行表面处理；

B)铌、钢件装配：将清洗后的铌件、钢件组装在一起；

C)铌、钢件封焊：按照铌/钢复合件的结构，在真空或气氛保护下进行封焊；

D)热等静压：将步骤C)封焊后的铌/钢复合件进行热等静压处理，即得。

上述方法步骤A)中，所述铌、钢件可采用粉末、块、板或管材等形式。如可采用铌板和钢板，其中铌板和钢板的厚度可调，其铌板可调范围是4-10mm；钢板可调范围是10-50mm。

所述钢件可为无磁或弱磁性不锈钢，如304、316、316L、316LN。

上述方法步骤A)中，所述表面处理包括机械加工、机械抛光、酸洗以及酒精、丙酮等清洗液处理，使铌、钢表面获得的光洁度为1.6～3.2微米。