一种提高真空等离子体喷涂钨涂层结合强度的方法

摘要

本发明属于涂层材料领域，具体涉及一种提高真空等离子体喷涂钨涂层结合强度的方法。本发明中的方法为采用Cu-Mo复合涂层作为W涂层与铜合金基材间的中间层，且所述中间层的厚度为50-200μm。利用本发明提供的方法，通过工艺参数的控制可使制备的W涂层与铜合金基材间的结合强度达到40MPa以上，同时含中间层的涂层具有结构均匀、热导率高、工艺制备过程简单的特点。

说明书

技术领域

本发明属于涂层材料领域，具体涉及一种提高真空等离子体喷涂钨涂层结合强度 的方法。

背景技术

钨是一种难熔的稀有金属材料，具有高熔点、高沸点、高硬度、低的热膨胀系数 的物理性能和化学性质稳定等特点。因其特殊的物理和化学性能，钨被广泛地应用于 电子、冶金、石油、航天等领域。随着核聚变研究的发展，用于聚变装置的材料亦成 为聚变研究的关键问题之一。其中与等离子体直接接触的材料被称为面对等离子体材 料(Plasma-facing material，PFM)，需要直接承受高热通量、高能粒子辐照、机械与 热应力腐蚀等多种苛刻作用。

钨材料具有高熔点、高热导、高物理溅射阈值和无化学溅射等优良性能，被认为 是最有希望的面对等离子体材料[G.Janeschiz，P.Barabaschi，G.Federici，The requirements of a next step large steady state tokamak，Nuclear Fusion，2000(40) 1197-1221.]。但钨材料存在加工性能差、力学强度不高等缺点，使其在工程应用上受 到一定的限制。以铜合金热沉材料为基材在其表面制备钨涂层，是解决这一问题的有 效方案。

钨涂层的制备方法主要有化学气相沉积(Chemical vapor deposition，CVD)、物 理气相沉积(Physical vapor deposition，PVD)和等离子体喷涂(Plasma spraying， PS)等。相比较CVD和PVD方法，等离子体喷涂技术具有可制备厚涂层(大于 0.5mm)、适合大面积制造、经济性良好等优点，同时制备的涂层还具有厚度可控、气 孔率较低等特点。因此，等离子体喷涂方法被认为是最有前景的钨涂层制备方法[J P.Chráska，J.Linke，Thermal spray coating for fusion applications-review， Journal of Thermal Spray Technology，2007(16)64-83.]。

以铜合金热沉材料为基体制备钨涂层有两个方面的要求，一是涂层的热导率高， 另一方面是涂层与基体材料的结合良好。采用真空等离子体喷涂技术，通过工艺优化， 制备的涂层气孔率低，且避免了在大气环境喷涂过程中的氧化现象，杂质含量低，具 有较高的热导率[Y.Niu，X.Zheng，H.Ji，C.Ding，J.Chen，Y.Yahiro，N.Yoshida， Characterization of Thick Vacuum Plasma Sprayed Tungsten Coatings on Water-cooled Copper Alloy Substrate，NIFS Proceedings 2009(76)123-127.]。但钨 涂层与铜合金基材间的热膨胀系数存在明显差异。涂层与基材之间的热膨胀系数失配， 导致喷涂过程中热应力在二者界面处集中，影响涂层与基材的结合。有人采用Cu-W 梯度过渡层(Cu与W粉质量比分别为1∶1，1∶2，1∶3)在铜合金表面制备真空等离子体 喷涂钨涂层，提高了钨涂层和铜合金基材的结合性能，可达40MPa[Deyang Hu， Xuebin Zheng，Yaran Niu，Heng Ji，Fali Chong，Junling Chen，Effect of oxidation behavior on the mechanical and thermal properties of plasma sprayed tungsten coatings.Journal of Thermal Spray Technology，17(2008)：377-384.]。但该方法需要 制备多层过渡层才能达到明显效果，工艺过程复杂，易于导致涂层的杂质含量增加。 同时，钨的密度和铜的密度差异显著，喷涂工艺参数较难控制，所制备的Cu-W中间 层结构不均匀，结合性能不够稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种提高真空等离子体喷涂钨涂层 结合强度的方法。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

一种提高真空等离子体喷涂钨涂层结合强度的方法，其特征在于，在钨涂层与铜 合金基材间采用Cu(铜)-Mo(钼)复合中间层。

所述Cu-Mo复合中间层是指将铜粉和钼粉按比例混合后，经真空等离子体喷涂在 铜合金基材表面形成的涂层。

所述钨涂层是指将钨粉经真空等离子体喷涂在Cu-Mo复合中间层表面形成的涂 层。

较佳的，所述铜粉的粒径为20～100μm，所述钼粉的粒径为10～80μm，所述钨粉 的粒径为10～70μm。

优选的，以所述Cu-Mo复合中间层的总质量计，所述铜的质量百分比为 10％～50％，所述钼的质量百分比为50％～90％。

进一步优选的，所述Cu-Mo复合中间层的厚度为50～200微米，所述钨涂层的厚 度为200～1000微米。

优选的，所述含提高真空等离子体喷涂钨涂层结合强度的方法包括如下步骤：

1)铜粉和钼粉按比例配料后混合均匀；

2)喷涂时，将铜合金基材进行清洗、喷砂等预处理，采用真空等离子体喷涂方 法制备一层厚度为50～200微米的Cu-Mo复合涂层，然后再喷涂一层厚度为200～1000 微米的钨涂层，即可得到含有Cu-Mo复合中间层的钨涂层。

较佳的，步骤1)中，所述铜粉的粒径为20～100μm，所述钼粉的粒径为10～80μm， 所述钨粉的粒径为10～70μm。

优选的，步骤2)中，所述Cu-Mo复合涂层的等离子体喷涂工艺参数为：等离子 体气体Ar的流量为30～50slpm(标准升/分钟)，等离子体气体H₂的流量为6～15slpm， 喷涂功率为30～50kW，喷涂压力为100～400mbar，粉末载气Ar的流量为2～7slpm， 喷涂距离为150～350mm，送粉速率为8～35g·min^-1。

优选的，步骤2)中，所述钨涂层的等离子体喷涂工艺参数为：等离子体气体Ar 的流量为30～50slpm(标准升/分钟)，等离子体气体H₂的流量为6～15slpm，喷涂功 率为35～60kW，喷涂压力为100～900mbar，粉末载气Ar的流量为2～8slpm，喷涂距 离为150～350mm，送粉速率为5～35g·min^-1。

本发明的原理参考如下几方面：

1、钼的线性热膨胀系数介于钨和铜合金之间，与钨比较接近。图1中显示了钼、 钨、铜三种材料线性热膨胀系数的比较[Y.S.Touloukian，R.K.Kirby，R.E.Taylor，P.D. Desai，Thermophysical properties of mater，Vol.12：thermal expansion-metallic elements and alloys，IFI/Plenum，New York，1975.]。采用Cu-Mo复合涂层作为中间 层，可通过设计Cu和Mo元素的组分配比改变Cu-Mo复合涂层的线性热膨胀系数， 缓和钨涂层与铜合金基材之间热膨胀系数失配问题，减少热应力集中，提高涂层的结 合强度。

2、钼的热导率较高，与钨的热导率很接近，图2显示了钼、钨、铜三种材料的 热导率随温度的变化[Y.S.Touloukian，R.W.Powell，C.Y.Ho，P.G.Klemens， Thermophysical properties of matter.Vol.1：thermal conductivity-metallic elements and alloys，IFI/Plenum，New York，1970.]。采用Cu-Mo复合涂层作为中间层具有优 良的热导率，有利于热通量的散失，减少热应力的集中。

3、钼的密度和铜合金比较接近，图3显示了钼、钨、铜三种材料的密度比较[中 国材料工程大典编委会，中国材料工程大典，第4和第5卷，化学工业出版社，北京， 2006.]。这有利于喷涂工艺参数的控制，制备的中间层组分和显微结构较为均匀。

4、钼和钨，均属于元素周期表第VI副族元素，具有良好的化学相容性，为改善 钨涂层与铜合金基材之间的结合提供了保证。

图4所示的示意图为本发明的构思。喷涂前，将一定组成的铜粉和钼粉混合均匀， 备用。喷涂时，将铜合金基材进行清洗、喷砂等预处理，采用真空等离子体喷涂方法 制备一层Cu-Mo复合涂层，然后再进行钨涂层的喷涂，即可得到含有Cu-Mo复合中 间层的钨涂层。

本发明提供了一种提高真空等离子体喷涂钨(W)涂层结合强度的方法。利用本 发明提供的方法，通过工艺参数的控制可使制备的W涂层与铜合金基材间的结合强度 达到40MPa以上，同时含中间层的涂层具有结构均匀、热导率高、工艺制备过程简 单的特点。

附图说明

图1为钼、钨、铜三种材料线性热膨胀系数随温度的变化。

图2为钼、钨、铜三种材料的热导率随温度的变化。

图3为钼、钨、铜三种材料的密度比较。

图4为含有Cu-Mo复合中间层的钨涂层示意图。

图5为实施例1所制备的含质量比30％Cu-70％Mo复合中间层的钨涂层结合强 度：图中左面方框为不含中间层的钨涂层的结合强度值，右面方框为含有 30％Cu-70％Mo复合中间层的钨涂层的结合强度值。

图6为实施例2所制备的含质量比50％Cu-50％Mo复合中间层的钨涂层结合强 度：图中左面方框为不含中间层的钨涂层的结合强度值，右面方框为含有 50％Cu-50％Mo复合中间层的钨涂层的结合强度值。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步描述本发明的技术方案。应理解，这些实施例仅用于 说明本发明而不用于限制本发明的范围。

下面通过实施例进一步阐明本发明的特点和效果。绝非限制本发明。

实施例1：采用粒径为30-60μm的钼粉和10-70μm的铜粉，按铜粉和钼粉质量 比为30％∶70％混合均匀，作为中间层喷涂用粉末。采用粒径为5-50μm的钨粉作为 钨涂层喷涂粉体。以经过喷砂处理、酒精超声清洗的铜合金作为基体材料。将真空室 的真空度降至0.1mbar以下后，充保护气体Ar气至一定的压力。在表2所示的喷涂 工艺参数下，采用瑞士Sulzer Metco公司的真空等离子体喷涂系统先将Cu-Mo复合 涂层喷涂于铜合金基材表面，然后再喷涂钨涂层。为了比较本发明的效果，同时制备 了不含中间层的钨涂层。应用ASTMC-633方法测定了涂层的结合强度，结果见图5。 所述Cu-Mo复合中间层的厚度为120微米，所述钨涂层的厚度为300微米。从图5 可见，在有30％Cu-70％Mo复合中间层的情况，钨涂层与铜合金的平均结合强度从 34MPa增大到42MPa，提高幅度为23.5％。

表2真空等离子体喷涂工艺参数

  工艺参数   Cu-Mo复合中间层   钨涂层   等离子体气体Ar，(slpm)   35   40   等离子体气体H₂，(slpm)   9   13   喷涂功率kW   32   50   喷涂压力mbar   100   900   粉末载气Ar slpm   2   6   喷涂距离mm   350   150   送粉速率g·min^-1  30   25

实施例2：采用粒径为30-60μm的钼粉和10-70μm的铜粉，按铜粉和钼粉质量 比为50％∶50％混合均匀，作为中间层喷涂用粉末。采用粒径为5-50μm的钨粉作为 钨涂层喷涂粉体。采用与实施例1相同的喷涂参数，在铜合金基材表面制备钨涂层。 所述Cu-Mo复合中间层的厚度为80微米，所述钨涂层的厚度为300微米。涂层的结 合强度见图6。从图6可见采用50％Cu-50％Mo复合中间层，钨涂层的结合强度为 40MPa。

实施例3：采用粒径为30-60μm的钼粉和10-70μm的铜粉，按铜粉和钼粉质量 比为40％∶60％混合均匀，作为中间层喷涂用粉末。采用粒径为5-50μm的钨粉作为 钨涂层喷涂粉体。

采用如下喷涂参数，在铜合金基材表面制备钨涂层。

Cu-Mo复合涂层的等离子体喷涂工艺参数为：等离子体气体Ar的流量为40slpm (标准升/分钟)，等离子体气体H₂的流量为7slpm，喷涂功率为38kW，喷涂压力为 400mbar，粉末载气Ar的流量为5slpm，喷涂距离为250mm，送粉速率为30g·min^-1。

钨涂层的等离子体喷涂工艺参数为：等离子体气体Ar的流量为35slpm(标准升/ 分钟)，等离子体气体H₂的流量为8slpm，喷涂功率为50kW，喷涂压力为100mbar， 粉末载气Ar的流量为2slpm，喷涂距离为350mm，送粉速率为20g·min^-1。

所述Cu-Mo复合中间层的厚度为150μm，所述钨涂层的厚度为320μm。采用 40％Cu-60％Mo复合中间层，钨涂层的结合强度为43MPa。

实施例4：采用粒径为30-60μm的钼粉和10-70μm的铜粉，按铜粉和钼粉质量 比为10％∶90％混合均匀，作为中间层喷涂用粉末。采用粒径为5-50μm的钨粉作为 钨涂层喷涂粉体。

采用如下喷涂参数，在铜合金基材表面制备钨涂层。

Cu-Mo复合涂层的等离子体喷涂工艺参数为：等离子体气体Ar的流量为28slpm (标准升/分钟)，等离子体气体H₂的流量为8slpm，喷涂功率为30kW，喷涂压力为 100mbar，粉末载气Ar的流量为2slpm，喷涂距离为350mm，送粉速率为20g·min^-1。

钨涂层的等离子体喷涂工艺参数为：等离子体气体Ar的流量为40slpm(标准升/ 分钟)，等离子体气体H₂的流量为10slpm，喷涂功率为40kW，喷涂压力为400mbar， 粉末载气Ar的流量为6slpm，喷涂距离为250mm，送粉速率为30g·min^-1。

所述Cu-Mo复合中间层的厚度为80μm，所述钨涂层的厚度为200μm。采用10％ Cu-90％Mo复合中间层，钨涂层的结合强度为41MPa。