紧凑型换热器被视为推动更小型、更高效、更具成本优势的先进核反应堆的重要技术之一。但要真正应用于下一代核反应堆，必须先证明这类换热器在高温及潜在高压环境下，仍能长期保持结构完整和安全可靠。

由威斯康星大学麦迪逊分校工程师牵头的多机构团队，开发出一套全新的扩散焊接评估方法。该方法为制造商、监管机构和供应商提供了一种独特手段，可以“看清”紧凑型换热器内部关键材料结合界面的状况，从而验证其强度和可靠性。

威斯康星大学麦迪逊分校机械工程教授马克·安德森表示：“这套工具将有助于提升业界对紧凑型换热器的信心，为这项技术获得核反应堆使用认证打下基础。”

印刷电路换热器通常通过扩散焊接工艺制造：将带有流道槽的金属板层层叠放，再施加高温和压力，使各层金属在界面处实现冶金结合，最终形成一个内部包含细密通道网络的整体结构。这种结构既能高效传热，又能承受高压和高温工况。

安德森用一个形象的比喻来说明这一过程：“扩散焊接有点像把两块巧克力叠在一起，然后持续加压，直到它们完全融合成一整块。我们的目标就是让层与层之间形成尽可能牢固的结合。”

在核反应堆等长期高温高压环境中，如果金属板之间的焊接界面逐渐弱化，就可能影响换热器性能，甚至带来安全隐患。然而，如何定量评估扩散焊接部件的结合强度一直是个难题，业界缺乏统一、可靠的标准方法。

为开发这项新工具，研究团队选取了两种已获批准用于高温核工况的材料——316H不锈钢和合金617，作为研究对象。

威斯康星大学麦迪逊分校机械工程科学家伊恩·詹茨指出：“我们已经知道这些材料本身在高温下表现良好，但还需要证明通过扩散焊接形成的界面是否足够强，尤其是界面处晶粒是否能充分长大，从而在高温高压下保持可靠性。”

团队与位于威斯康星州拉克罗斯的制造商 CompRex 合作，制备了上述材料的扩散焊接样品。随后，他们将样品切割以暴露焊接界面，并在显微镜下观察界面区域晶粒的生长情况。一般而言，界面处晶粒长得越充分，说明结合越牢固。

人工在显微图像中逐一计数和测量晶粒既耗时又费力。为此，研究人员与 MIPAR 公司及电力研究院（EPRI）合作，开发了一款定制工具，利用自动图像分析软件，对扩散焊接样品的显微图像进行晶粒识别和定量评估。

该工具能够计算焊接界面区域晶粒生长所占的总百分比，从而给出一个标准化的结合强度指标。这一指标对于制定扩散焊接部件的 ASME 规范案例至关重要。未来的规范案例中，可能会明确规定界面晶粒生长的最低百分比门槛，作为部件可用于高温锅炉和压力容器等应用的准入条件。

“通过这套新工具和方法，制造商在生产商业规模的紧凑型换热器时，可以更有把握地确保每一道焊接界面的完整性和一致性。”安德森说，“这项研究正在为反应堆企业以及全球电力系统的未来提供切实而持久的技术支撑。”

本研究的参与者还包括威斯康星大学麦迪逊分校的科学家伊恩·詹茨、研究生卢卡斯·德索西，以及电力研究院的安德里亚·博林格。马克·安德森在该校机械工程系担任 Consolidated Papers 教授。