新型厚钨复合涂层的制备工艺与性能研究

摘要

核聚变能的关键问题在于材料问题，而W由于具有高熔点、高溅射阀值、较高的热导率、H滞留极低、不与H发生反应等优点成为最具有应用前景的面向等离子体材料。钨不仅属于稀有资源，而且其高熔点、硬而脆等物理特性导致钨难以加工，不适合作为结构材料使用，但是可以作为外壁材料，与具有良好导热性的结构材料（即热沉材料）连接使用。但是钨金属与热沉材料(Cu)的物理性能相差巨大，尤其是热膨胀系数α，在材料的制备和服役过程中会产生较高的热应力而导致失效，因此设计和制备一种高性能的厚钨涂层是一个亟待解决的难点。
　　本文主要针对核聚变装置中对于面向等离子体材料的制造、使用要求，实现钨金属与热沉材料（CuCrZr合金）的有效连接，先后采用冷气动力喷涂技术与金属有机化学气相沉积技术制备钨涂层，分别研究了过渡层与面层的制备工艺及其性能，最后针对两种方法的缺陷与不足提出结合两种技术手段制备厚钨复合涂层，对获得的涂层的结构和性能进行了系统的研究。主要内容与结论如下:
　　(1)过渡层:本课题组的前期研究采用冷气动力喷涂技术在CuCrZr合金上制备纯钨涂层，发现涂层厚度仅为8.4μm，而且涂层孔隙较多，于是本文向钨粉中添加少量的镍、铁粉制备了不同组分的W-Ni-Fe涂层，涂层厚度得到了显著改善。随着粉末中钨含量的增加，涂层的厚度与硬度迅速增加，但是孔隙率增加、抗热震性能下降，抗热震循环实验过程涂层的破坏从涂层边缘区域的钨颗粒集中区开始。对于75+93梯度W涂层，厚度接近2mm，孔隙率为2.44％，硬度为481.4Hv。
　　(2)面层:采用本课题组自主研发设计的金属有机化学气相沉积设备，并对其进行了部分改进，使用六羰基钨作为先驱体在CuCrZr合金上沉积纯钨涂层，对工艺参数进行优化，发现当沉积温度为550℃，沉积距离为25mm，使用氢气载气，载气流量为80ml/min时所获得的涂层表面光滑平整，具有均匀致密、无裂纹与孔洞的内部组织，涂层晶体结构为体心立方结构，只存在α-W相，而且具有(110)择优取向，涂层厚度为4.5μm，硬度为3.8GPa，弹性模量为105.3GPa，沉积速率为26.2×10-3g·cm-2·h-1。
　　(3)分别对冷气动力喷涂涂层的结合机理和金属有机化学气相沉积涂层的成膜机理进行了探索，发现冷喷涂厚钨复合涂层为层片状结构，涂层与基体之间以机械结合为主，钨与镍铁之间存在冷焊过渡层，部分颗粒碰撞部位区域存在局部冶金结合;MOCVD-W涂层符合凝聚中心理论成膜，存在吸附、化学反应、凝聚中心形成、成核与长大、岛的形成与生长结合等过程。
　　(4)将冷喷涂技术与MOCVD技术相结合，在冷喷涂W-Ni-Fe过渡层上制备一层MOCVD纯钨面层后，表面平整度与回弹坑都得到了改善，而硬度增加到643.7Hv，涂层的结合强度与抗热震性没有下降，结合强度大于35MPa，能经历325次500℃抗热震循环，55次800℃抗热震循环。
　　结合冷气动力喷涂技术与金属有机化学气相沉积技术可以制备孔隙率低、硬度高、结合强度高和抗热震性能好的新型厚钨复合涂层。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 面向等离子体材料

1．1．1 面向等离子体材料的要求与选择

1．1．2 钨金属与热沉材料的连接方式

1．2 钨涂层的制备技术

1．2．1 热喷涂技术

1．2．2 气相沉积技术

1．2．3 冷气动力喷涂技术

1．2．4 熔盐电沉积

1．2．5 原位烧结

1．3 本文研究意义及内容

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究内容

第2章 实验技术与涂层表征

2．1 涂层设计

2．2 实验材料

2．2．1 基体材料

2．2．2 原料用粉

2．3 涂层制备的原理与过程

2．3．1 冷气动力喷涂制备过渡层

2．3．2 金属有机化学气相沉积制备面层

2．4 检测技术及性能表征

2．4．1 显微组织与微观结构分析

2．4．2 物相分析

2．4．3 纳米压痕测试

2．4．4 显微硬度

2．4．5 孔隙率

2．4．6 结合强度

2．4．7 抗热震性能

第3章 冷气动力喷涂技术制备W-Ni-Fe过渡层

3．1 冷喷涂粉末速度计算

3．1．1 粉末临界速度

3．1．2 粉末速度

3．2 表面形貌分析

3．3 截面形貌分析

3．4 物相结构分析

3．5 性能分析

3．5．1 涂层孔隙率

3．5．2 显微硬度

3．5．3 结合强度

3．5．4 抗热震性能

3．6 冷喷涂W-Ni-Fe涂层结合机理

3．7 本章小结

第4章 金属有机化学气相沉积技术制备纯钨面层

4．1 成膜机理

4．1．1 热力学分析

4．1．2 成膜机理分析

4．2 沉积温度对钨涂层的影响

4．2．1 微观形貌分析

4．2．2 物相结构分析

4．3 沉积距离对钨涂层的影响

4．3．1 微观形貌分析

4．3．2 物相结构分析

4．4 沉积时间对钨涂层的影响

4．4．1 微观形貌分析

4．4．2 物相结构分析

4．5 载气种类对钨涂层的影响

4．5．1 微观形貌分析

4．5．2 物相结构分析

4．6 载气流量对钨涂层的影响

4．6．1 表面形貌分析

4．6．2 截面形貌分析

4．6．3 物相结构分析

4．6．4 纳米硬度与弹性模量

4．6．5 沉积速率

4．7 本章小结

第5章 新型厚钨复合涂层的性能研究

5．1 表面形貌分析

5．2 截面形貌分析

5．3 物相结构分析

5．4 性能分析

5．4．1 显微硬度

5．4．2 结合强度

5．4．3 抗热震性能

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果