新型厚鎢復合涂層的制備工藝與性能研究.pdf

1、核聚變能的關鍵問題在于材料問題，而W由于具有高熔點、高濺射閥值、較高的熱導率、H滯留極低、不與H發(fā)生反應等優(yōu)點成為最具有應用前景的面向等離子體材料。鎢不僅屬于稀有資源，而且其高熔點、硬而脆等物理特性導致鎢難以加工，不適合作為結構材料使用，但是可以作為外壁材料，與具有良好導熱性的結構材料（即熱沉材料）連接使用。但是鎢金屬與熱沉材料(Cu)的物理性能相差巨大，尤其是熱膨脹系數(shù)α，在材料的制備和服役過程中會產(chǎn)生較高的熱應力而導致失效，因此設計

2、和制備一種高性能的厚鎢涂層是一個亟待解決的難點。
　　本文主要針對核聚變裝置中對于面向等離子體材料的制造、使用要求，實現(xiàn)鎢金屬與熱沉材料（CuCrZr合金）的有效連接，先后采用冷氣動力噴涂技術與金屬有機化學氣相沉積技術制備鎢涂層，分別研究了過渡層與面層的制備工藝及其性能，最后針對兩種方法的缺陷與不足提出結合兩種技術手段制備厚鎢復合涂層，對獲得的涂層的結構和性能進行了系統(tǒng)的研究。主要內容與結論如下:
　　(1)過渡層:本課題組

3、的前期研究采用冷氣動力噴涂技術在CuCrZr合金上制備純鎢涂層，發(fā)現(xiàn)涂層厚度僅為8.4μm，而且涂層孔隙較多，于是本文向鎢粉中添加少量的鎳、鐵粉制備了不同組分的W-Ni-Fe涂層，涂層厚度得到了顯著改善。隨著粉末中鎢含量的增加，涂層的厚度與硬度迅速增加，但是孔隙率增加、抗熱震性能下降，抗熱震循環(huán)實驗過程涂層的破壞從涂層邊緣區(qū)域的鎢顆粒集中區(qū)開始。對于75+93梯度W涂層，厚度接近2mm，孔隙率為2.44％，硬度為481.4Hv。

4、　　(2)面層:采用本課題組自主研發(fā)設計的金屬有機化學氣相沉積設備，并對其進行了部分改進，使用六羰基鎢作為先驅體在CuCrZr合金上沉積純鎢涂層，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當沉積溫度為550℃，沉積距離為25mm，使用氫氣載氣，載氣流量為80ml/min時所獲得的涂層表面光滑平整，具有均勻致密、無裂紋與孔洞的內部組織，涂層晶體結構為體心立方結構，只存在α-W相，而且具有(110)擇優(yōu)取向，涂層厚度為4.5μm，硬度為3.8GPa，彈性模量

5、為105.3GPa，沉積速率為26.2×10-3g·cm-2·h-1。
　　(3)分別對冷氣動力噴涂涂層的結合機理和金屬有機化學氣相沉積涂層的成膜機理進行了探索，發(fā)現(xiàn)冷噴涂厚鎢復合涂層為層片狀結構，涂層與基體之間以機械結合為主，鎢與鎳鐵之間存在冷焊過渡層，部分顆粒碰撞部位區(qū)域存在局部冶金結合;MOCVD-W涂層符合凝聚中心理論成膜，存在吸附、化學反應、凝聚中心形成、成核與長大、島的形成與生長結合等過程。
　　(4)將冷噴涂技