W/316L不銹鋼第一壁材料熱應(yīng)力的模擬研究

劉 澤 唐 琳,2 張亞飛 余松科 母雪玲 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（數(shù)據(jù)恢復(fù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 內(nèi)江 641100）

3（成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610106）

目前，國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）中氦冷偏濾器的主要作用是控制雜質(zhì)、排除氦灰，以及將等離子體流出的熱流和粒子流有目的沉淀在靶區(qū)，進(jìn)而轉(zhuǎn)移聚變堆中產(chǎn)生的熱量［1-2］。偏濾器的第一壁材料需要承載高熱負(fù)荷以及高能粒子轟擊的作用［3-6］。高熱載荷、高粒子流與機(jī)械載荷的結(jié)合需要使用高熱導(dǎo)率、高熔點(diǎn)、抗輻照性能強(qiáng)的材料。W具有高熔點(diǎn)、良好的熱穩(wěn)定性以及優(yōu)異的抗輻照性能，被認(rèn)為是具有潛力的候選材料之一［7-10］。316L不銹鋼具有氫同位素滯留率低、強(qiáng)度高、塑性好等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是偏濾器理想的熱沉材料［11-12］。因此，有研究人員提出，通過(guò)在316L不銹鋼表面制備W涂層來(lái)作為偏濾器的第一壁材料，并取得了一定成果［13-15］。然而，在聚變堆高溫環(huán)境溫度下，由于W 與316L 不銹鋼材料參數(shù)差異過(guò)大，系統(tǒng)內(nèi)不可避免地產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。過(guò)大的熱應(yīng)力會(huì)造成涂層開(kāi)裂、失效，嚴(yán)重影響偏濾器的正常工作。因此，為了降低系統(tǒng)中的應(yīng)力集中，有必要對(duì)影響W/316L 不銹鋼系統(tǒng)內(nèi)熱應(yīng)力的因素進(jìn)行深入探索。

Liu等［16］對(duì)涂層沉積到基底的過(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明涂層中孔隙率的含量會(huì)影響系統(tǒng)中熱應(yīng)力的大小。Basuki 等［17］對(duì)W/鋼系統(tǒng)熱處理過(guò)程中熱應(yīng)力的分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明W與鋼熱膨脹系數(shù)的差異是造成交界面應(yīng)力集中的主要原因。Wei等［18］通過(guò)引入功能梯度薄膜的方法來(lái)緩解交界面應(yīng)力集中的現(xiàn)象，結(jié)果表明交界面的應(yīng)力值與涂層和基底材料的彈塑性有著直接關(guān)系。上述研究主要針對(duì)內(nèi)部材料屬性與系統(tǒng)熱應(yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行了探索，對(duì)諸如服役溫度、涂層厚度、基底厚度等外部條件未有涉及。然而，外部因素是否也會(huì)影響系統(tǒng)熱應(yīng)力的大小，它們之間存在什么樣的關(guān)系？遺憾的是，基于以上問(wèn)題的相關(guān)研究工作很少。因此，本文選取W/316L 不銹鋼系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)利用Ansys Workbench 數(shù)值模擬軟件，深入研究溫度、涂層厚度和基底厚度與系統(tǒng)內(nèi)熱應(yīng)力的之間的關(guān)系，并且嘗試通過(guò)引入Cu材料作為中間層，來(lái)緩解熱失配的問(wèn)題。

1 W阻氚涂層模型的建立

1.1 熱應(yīng)力分析模型

Tsui等［19］提出了用于計(jì)算平面幾何結(jié)構(gòu)中熱應(yīng)力大小的分析模型。這個(gè)分析模型與Stoney's 公式相結(jié)合，得到了用于測(cè)量薄膜中熱應(yīng)力的方程［20］：

1.2 幾何模型

圖1為通過(guò)磁控濺射方法在316L 不銹鋼圓片上沉積W涂層后的截面圖［21］。圖2（a）為與圖1對(duì)應(yīng)的三維有限元分析模型。其中基底316L 不銹鋼圓片的半徑為80 μm，厚度為60 μm，W 涂層的厚度為3.8 μm。由于模型具有軸對(duì)稱(chēng)型，因此可以將三維圖形轉(zhuǎn)化為二維模型進(jìn)行分析計(jì)算。圖2（b）為二維軸對(duì)稱(chēng)分析模型。

圖1 W/316L不銹鋼系統(tǒng)截面圖Fig.1 Cross section of W/316L stainless steel coating system

圖2 軸對(duì)稱(chēng)W/316L不銹鋼系統(tǒng)原理圖(a)三維模型，(b)二維模型Fig.2 Schematic diagram of W/316L stainless steel system(a)3D model,(b)2D model

圖3為W/316L不銹鋼模型中的網(wǎng)格劃分情況。采用四節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)系統(tǒng)中涂層和基底進(jìn)行劃分。由于應(yīng)力集中容易發(fā)生在交界面附近，因此對(duì)交界面區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，起到提高計(jì)算精度的效果。同時(shí)，為了計(jì)算模型與實(shí)際更為接近，限制了模型左下端節(jié)點(diǎn)沿X、Y方向的位移［22］。模型中的其他位置為自由節(jié)點(diǎn)，在溫度的影響下，可以發(fā)生自由位移。環(huán)境溫度設(shè)置為400 ℃，室溫設(shè)置為23 ℃。由于材料在高溫下會(huì)產(chǎn)生一定的塑性應(yīng)變，因此本文采用彈塑性模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算。模擬中所涉及的涂層和基底材料均假設(shè)為各向同性，材料屬性見(jiàn)表1。

表1 材料屬性[23-24]Table 1 The properties of materials[23-24]

圖3 對(duì)W/316L不銹鋼系統(tǒng)模型的網(wǎng)格劃分(a)模型整體網(wǎng)格情況，(b)交界面網(wǎng)格情況Fig.3 The mesh condition of W/316L stainless steel system(a)The overall mesh of the model,(b)The mesh detail near the interface

2 結(jié)果與討論

2.1 熱應(yīng)力分析

本節(jié)主要討論W/316L 不銹鋼系統(tǒng)中熱應(yīng)力的分布規(guī)律。圖4為計(jì)算得到的系統(tǒng)中心和邊界區(qū)域附近的交界面熱應(yīng)力分布云圖。由于316L 不銹鋼的熱膨脹系數(shù)大于W 涂層，在對(duì)系統(tǒng)加熱的過(guò)程中，316L基底的形變量大于W涂層，因此W涂層中表現(xiàn)出拉應(yīng)力。系統(tǒng)中心區(qū)域涂層的熱應(yīng)力值較高，而邊緣區(qū)域的應(yīng)力分布較低。這是由于相比于中心區(qū)域，系統(tǒng)邊緣位置在較高的環(huán)境溫度下更容易產(chǎn)生變形。變形促進(jìn)了能量的釋放，進(jìn)而造成邊緣區(qū)域熱應(yīng)力值的梯度降低。

圖4 W/316L不銹鋼系統(tǒng)中熱應(yīng)力的局部分布 (a)對(duì)稱(chēng)軸附近交界面區(qū)域，(b)邊緣附近交界面區(qū)域Fig.4 Local thermal distribution in the W/316L stainless-steel system(a)The interface area near the axis of symmetry,(b)The interface area near edge regions

2.2 參數(shù)分析

通過(guò)在模擬中改變某一參數(shù)值、同時(shí)固定其他參數(shù)的方法，來(lái)探索參數(shù)對(duì)系統(tǒng)中熱應(yīng)力的影響。比如，在模擬中改變溫度，將涂層厚度和基底厚度進(jìn)行固定，來(lái)研究溫度對(duì)系統(tǒng)中熱應(yīng)力的影響。通過(guò)有限元方法計(jì)算得到的Von Mises stress來(lái)代表系統(tǒng)中的熱應(yīng)力［23］。

圖5為W/316L 不銹鋼在100~600 ℃環(huán)境溫度下，系統(tǒng)中最大熱應(yīng)力的變化趨勢(shì)。從圖5 可以看出，隨著溫度的增加，系統(tǒng)中最大熱應(yīng)力表現(xiàn)出線(xiàn)性增加的規(guī)律。此外，通過(guò)上述經(jīng)驗(yàn)公式（1）得到的計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合。

圖5 溫度對(duì)W/316L不銹鋼系統(tǒng)熱應(yīng)力的影響Fig.5 The effect of temperature on thermal stress of W/316L stainless steel system

圖6為W涂層厚度對(duì)系統(tǒng)熱應(yīng)力的影響。隨著涂層厚度的增加，系統(tǒng)中熱應(yīng)力表現(xiàn)出了降低的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)涂層厚度增加時(shí)，系統(tǒng)的彎曲應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力松弛，且系統(tǒng)中應(yīng)力的大小隨著彎曲應(yīng)變的降低而減少［25］。對(duì)于較薄的涂層，由于系統(tǒng)的剛度較低，熱應(yīng)力造成的彎曲效果可以被忽略不計(jì)。隨著涂層厚度的增加，系統(tǒng)的彎曲應(yīng)變隨之增強(qiáng)。應(yīng)變的增加促進(jìn)了能量的釋放，進(jìn)而造成熱應(yīng)力的下降。系統(tǒng)中熱應(yīng)力隨著W 涂層厚度的改變趨勢(shì)與Chawla等［25］得到的結(jié)論相類(lèi)似。

圖6 涂層厚度對(duì)W/316L不銹鋼系統(tǒng)熱應(yīng)力的影響Fig.6 The effect of coating thickness on thermal stress of W/316L stainless steel system

圖7為316L 不銹鋼基底厚度對(duì)系統(tǒng)熱應(yīng)力的影響。系統(tǒng)中熱應(yīng)力隨著基底厚度而增加。這是由于當(dāng)基底厚度薄時(shí)，較高的環(huán)境溫度容易造成系統(tǒng)產(chǎn)生形變。然而，逐漸增加的基底厚度阻礙了系統(tǒng)在熱環(huán)境下的變形，因此對(duì)能量的釋放產(chǎn)生了一定的抑制作用，進(jìn)而造成系統(tǒng)中熱應(yīng)力的增加。以上分析結(jié)果與Haider等［22］得到的結(jié)果相似。

圖7 基底厚度對(duì)W/316L不銹鋼系統(tǒng)熱應(yīng)力的影響Fig.7 The effect of substrate thickness on thermal stress of W/316L stainless steel system

2.3 W/Cu復(fù)合涂層的熱應(yīng)力

Cu 具有良好的導(dǎo)熱效應(yīng)，并且易于加工和焊接，在聚變堆中常作為熱沉材料。近些年來(lái)，很多學(xué)者將W 與Cu 的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，作為制作第一壁材料的新方法［24］。

圖8為通過(guò)磁控濺射法在316L 不銹鋼表面沉積得到的W/Cu 復(fù)合涂層界面形貌［21］。圖9 為根據(jù)圖8 所建立的二維模型。圖10 為400 ℃下W/Cu 復(fù)合涂層系統(tǒng)中熱應(yīng)力在中心和邊界附近區(qū)域的局部熱應(yīng)力分布。相比于圖4 中W 涂層的熱應(yīng)力分布，Cu中間層的加入更好地容納了W涂層和316L不銹鋼基底在高溫下產(chǎn)生的界面熱應(yīng)力，有效降低了整個(gè)系統(tǒng)中的最大熱應(yīng)力。系統(tǒng)中最大熱應(yīng)力的降低，有益于提高涂層使用壽命。

圖8 W/Cu復(fù)合涂層界面形貌圖Fig.8 Interface morphology of W/Cu composite coating system

圖9 W/Cu復(fù)合涂層系統(tǒng)模型Fig.9 W/Cu composite coating system model

圖10 W/Cu/316L系統(tǒng)中熱應(yīng)力的局部分布 (a)對(duì)稱(chēng)軸附近交界面區(qū)域，(b)邊緣交界面附近區(qū)域Fig.10 Local thermal distribution in the W/Cu/316L stainless steel system(a)The interface area near the axis of symmetry,(b)The interface area near edge regions

圖11為W/316L不銹鋼系統(tǒng)和W/Cu/316L不銹鋼系統(tǒng)中，沿著W涂層下端交界面路徑的熱應(yīng)力分布?？梢钥闯觯珻u的引入明顯降低了交界面的熱應(yīng)力值。這將降低交界面處裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高了W 涂層的結(jié)合強(qiáng)度。因此，Cu 中間層的添加，有效地改善了W 和316L 不銹鋼在高溫服役環(huán)境下因熱膨脹系數(shù)差異過(guò)大而造成的熱失配問(wèn)題。

圖11 W/Cu/316L系統(tǒng)中熱應(yīng)力沿著W涂層交界面的熱應(yīng)力分布Fig.11 Thermal stress distribution along W coating interface in W/Cu/316L system

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)Ansys Workbench有限元軟件，計(jì)算得到了W/316L 不銹鋼系統(tǒng)中熱應(yīng)力的分布情況，并且深入研究了溫度、涂層厚度和基底厚度對(duì)系統(tǒng)中熱應(yīng)力的影響規(guī)律，同時(shí)借助經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，結(jié)論如下：

1）在W/316L 不銹鋼系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的最大熱應(yīng)力隨著溫度而增加。

2）隨著W涂層厚度的增加，系統(tǒng)中最大熱應(yīng)力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。隨著316L 不銹鋼基底厚度的增加，系統(tǒng)中的熱應(yīng)力增加。

3）在W涂層和316L不銹鋼基底之間引入Cu中間層，可以有效降低整體系統(tǒng)中的最大熱應(yīng)力，進(jìn)而緩解了涂層和基底熱失配問(wèn)題。

作者貢獻(xiàn)聲明劉澤：醞釀和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；唐琳：采集數(shù)據(jù)；張亞飛：采集數(shù)據(jù)；余松科：分析數(shù)據(jù)；母學(xué)玲：對(duì)文章的知識(shí)性?xún)?nèi)容作批評(píng)性審閱；孫付春：指導(dǎo)。