本文關(guān)鍵詞：新型厚鎢復合涂層的制備工藝與性能研究

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【摘要】：核聚變能的關(guān)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(jié)構(gòu)材料使用,但是可以作為外壁材料,與具有良好導熱性的結(jié)構(gòu)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)a,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(shù)與金屬有機化學氣相沉積技術(shù)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(jié)合兩種技術(shù)手段制備厚鎢復合涂層,對獲得的涂層的結(jié)構(gòu)和性能進行了系統(tǒng)的研究。主要內(nèi)容與結(jié)論如下：(1)過渡層：本課題組的前期研究采用冷氣動力噴涂技術(shù)在CuCrZr合金上制備純鎢涂層,發(fā)現(xiàn)涂層厚度僅為8.4p.m,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。(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(qū)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。C,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(nèi)部組織,涂層晶體結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu),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(jié)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(jié)構(gòu),涂層與基體之間以機械結(jié)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(jié)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(jié)合等過程。(4)將冷噴涂技術(shù)與MOCVD技術(shù)相結(jié)合,在冷噴涂W-Ni-Fe過渡層上制備一層MOCVD純鎢面層后,表面平整度與回彈坑都得到了改善,而硬度增加到643.7Hv,涂層的結(jié)合強度與抗熱震性沒有下降,結(jié)合強度大于35MPa,能經(jīng)歷325次500℃抗熱震循環(huán),55次800℃抗熱震循環(huán)。結(jié)合冷氣動力噴涂技術(shù)與金屬有機化學氣相沉積技術(shù)可以制備孔隙率低、硬度高、結(jié)合強度高和抗熱震性能好的新型厚鎢復合涂層。
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG174.4

【參考文獻】

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本文編號：1230578