紧凑型热交换器被视为推动先进核反应堆小型化、高效化和低成本化的关键，但其大规模应用的前提是必须验证材料在高温高压环境下仍能保持结构完整。近日，由威斯康星大学麦迪逊分校工程师领衔的多机构团队，开发出一套评估扩散焊接的全新方法论，为制造商、监管机构及供应商提供了一种独特的“透视”手段，确保热交换器核心材料连接的牢固性。
这种被称为印刷电路热交换器的设备，采用扩散焊接工艺制造：将带有沟槽的金属板层层堆叠，在高温高压下融合成单一组件。其内部形成的狭窄通道网络不仅能实现极高的热传递效率，还能承受严苛的工况。威斯康星大学机械工程教授马克·安德森形象地比喻道，这一过程如同将两块巧克力叠放并压紧，直至融合为一块，而我们的目标就是实现层间最强的结合力。
然而，长期处于高温高压环境可能导致金属板间的焊缝弱化，进而影响热交换器性能甚至引发安全隐患。过去，由于缺乏可靠的标准方法，评估扩散焊接组件的键合强度一直是个难题。团队重点研究了316H不锈钢和617合金这两种已获批准用于高温核应用的材质，旨在证明扩散焊接工艺能在界面处形成足够的晶粒生长，从而支撑起高强度的结合。
为了突破人工检测效率低下的瓶颈，研究人员与威斯康星州拉辛的CompRex公司合作制备样品，并联合MIPAR公司及美国电力研究所（EPRI）开发了定制化工具。该工具利用自动化图像分析软件，能够精准识别并评估显微镜图像中扩散焊样品的晶粒生长情况。晶粒跨越界面的生长数量越多，意味着结合力越强。
这一新工具能计算出焊缝中发生晶粒生长的总百分比，为制定ASME（美国机械工程师协会）关于扩散焊接组件的代码规范提供了标准化的强度指标。未来，相关规范可能会明确规定，只有当界面晶粒生长达到特定最低百分比时，该组件才被允许用于高温锅炉和压力容器等关键场景。安德森教授表示，这一新方法确保了制造商在大规模生产紧凑型热交换器时，能始终信赖每一个焊缝的完整性。