【摘要】：金屬鎢因其高的熔點(diǎn),低的濺射產(chǎn)額和良好的熱物理性能被選為核聚變堆第一壁面向等離子體材料的候選材料(PFMs, Plasma Facing Materials)。 PFMs必須與熱沉材料或低活化的結(jié)構(gòu)材料連接組合成面向等離子體部件,才能在核聚變裝置中使用。因此,先進(jìn)鎢涂層制備技術(shù)對(duì)于聚變堆的發(fā)展具有重要意義。本研究課題利用二元Na2WO4-WO3和三元Na2WO4-WO3-NaPO3熔鹽體系,在熱沉材料銅合金(CuCrZr)基體上制備了不同厚度的鎢涂層,并對(duì)其制備工藝參數(shù)、涂層的結(jié)構(gòu)與性能等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要的研究成果如下： (1)采用二元Na2WO4-WO3熔鹽體系,通過(guò)直流電沉積方式在CuCrZr合金基體上制備出金屬鎢涂層。研究了電流沉積時(shí)間對(duì)電沉積鎢涂層微觀形貌和力學(xué)性能的影響,研究結(jié)果表明,電流密度增加,鎢涂層晶粒尺寸增大,涂層厚度增加,涂層表面變得不均勻,電流效率不斷下降。鎢涂層的硬度和氧含量隨著電沉積時(shí)間的增加而下降。 (2)采用二元Na2WO4-WO3熔鹽體系,通過(guò)脈沖電沉積方式在CuCrZr合金基體上制備出金屬鎢涂層,并對(duì)直流和脈沖兩種方式對(duì)電沉積鎢涂層的結(jié)構(gòu)與性能的影響進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示兩種方式都能獲得體心立方結(jié)構(gòu)的鎢涂層,鎢涂層晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的改變。鎢涂層與銅合金基體間結(jié)合緊密,沒(méi)有明顯的孔洞和裂紋。與直流電沉積相比,脈沖電沉積更有利于對(duì)涂層的厚度、晶粒尺寸和力學(xué)性能等進(jìn)行控制。 (3)采用二元Na2WO4-WO3熔鹽體系,當(dāng)熔鹽溫度為1173K時(shí),脈沖電沉積150h,成功地在CuCrZr基體上沉積出厚度達(dá)到1mm的鎢涂層。測(cè)試結(jié)果表明鎢涂層具有良好的結(jié)合強(qiáng)度和較高的熱導(dǎo)率。鎢涂層與CuCrZr基體的結(jié)合強(qiáng)度接近60MPa；平行晶粒生長(zhǎng)方向涂層熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果為150.86W·m-I·K-1。厚金屬鎢涂層經(jīng)EAST裝置輻照后,涂層表面和截面未有裂紋和孔洞的出現(xiàn),表明鎢涂層具有良好的抗等離子沖刷能力。 (4)對(duì)熔鹽電沉積前后CuCrZr合金基體的力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià),并研究了時(shí)效熱處理對(duì)鎢涂層和CuCrZr合金基體的力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),熔鹽電沉積后,CuCrZr合金基體的力學(xué)性能有比較明顯的下降。在溫度為703K時(shí),對(duì)電沉積后的銅合金基體和鎢涂層時(shí)效熱處理12h,測(cè)試結(jié)果表明CuCrZr合金基體的強(qiáng)度增加,滿足ITER中CuCrZr合金基體的力學(xué)性能要求,鎢涂層的結(jié)合強(qiáng)度和熱導(dǎo)率未發(fā)生明顯的改變。 (5)在三元Na2WO4-WO3-NaPO3熔鹽體系中,采用直流電沉積,在熔鹽溫度為1153K時(shí),成功地在CuCrZr基體上制備出鎢涂層。與二元熔鹽體系相比,添加NaPO3能有效地改善涂層的表面質(zhì)量。直流電流密度和電沉積時(shí)間對(duì)涂層的微觀形貌有著重要的影響。隨著直流電流密度從50mA·cm-2增加到80mA·cm-2,涂層的晶粒尺寸也隨之從7.01μm增加到12.44μm。隨著電流密度的增加,涂層的厚度也逐漸增加,電流密度為70mA·cm-2時(shí)達(dá)到了最大值34.40gm。這些結(jié)果說(shuō)明鎢涂層的厚度和顯微結(jié)構(gòu)可以通過(guò)改變直流電沉積的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。 (6)在三元Na2WO4-WO3-NaPO3熔鹽體系中,采用脈沖電沉積方式,在熔鹽溫度1073K時(shí),可以獲得體心立方結(jié)構(gòu)的金屬鎢涂層。NaPO3添加量和電沉積溫度對(duì)涂層的微觀形貌有一定的影響。隨著NaPO3添加量的增多,晶粒尺寸減小,而隨著電沉積溫度的升高,晶粒尺寸增大。脈沖電流參數(shù)同樣對(duì)涂層的微觀形貌有著重要的影響,當(dāng)脈沖電流密度為40-60mA·cm-2,占空比為0.1-0.25,周期為10ms時(shí),能獲得涂層質(zhì)量較好的金屬鎢涂層。
【圖文】：

著受控核聚變?cè)谑澜绶秶鷥?nèi)進(jìn)入全面快速發(fā)展的階段，有望實(shí)現(xiàn)能源的安全利用并走出能源危機(jī)的局面。圖2-1是ITER結(jié)構(gòu)示意圖。在整個(gè)核聚變反應(yīng)堆中，材料問(wèn)題核聚變反應(yīng)堆正常運(yùn)行和^u展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。ft圖2-1丨TER結(jié)構(gòu)示意圖面向等離子體材料（PFMs)指的是磁約束核聚變反應(yīng)堆裝置中直接面對(duì)等離子體的材料，，在前的聚變裝置中主要有以下部件：（1)構(gòu)成等離子體室的第一壁；（2)偏濾器系統(tǒng)；（3)包殼系統(tǒng)，將聚變能轉(zhuǎn)換為熱能，并且為增殖燃料循環(huán)提供l#；（4)限制器的裝甲材料等等。其中最重要的是第一壁和偏濾器系統(tǒng)，相關(guān)材料的選擇關(guān)系到等離子體的正常運(yùn)行。-3 -

料表面可引起材料表面原子的濺射、材料表面起泡和剝離以及等離子體污染等現(xiàn)象。圖2-2為偏濾器結(jié)構(gòu)中等離子體與材料的交互作用示意圖ScnpfolTUy^ Flm W?U‘r//iodu.?.D?n.g. -" ( Ti>i \AdivMta*'‘‘ 'K I b-*nlDW—j PermcalioiiTrippw^T>iffMiao^n^^S^^J^^''''f^ (i?pariiyfenaeattoft ’ * SubkmMikmOtckixit Pjofttoa [ Pbyiiral, ClMmicaJ Spw丨trmp、、? fUdtsiioii Eflluced .*Mblinutitui圖2-2偏濾器結(jié)構(gòu)中等離子體與材料的相互作用(1 ) 材料表面原子激射材料表面原/?濺射也括物理雅射和化學(xué)n派鋄I6，17】。入射離子通過(guò)碰撞交換使得}\0原子的能i：足以克服祀原子間的g?縛而使之逸出表面，稱(chēng)為物理濺射。入射粒子將靴原子掩離農(nóng)面所需要的最低能量稱(chēng)為濺射閾能。當(dāng)入射粒f能量較高T，在}\0內(nèi)可產(chǎn)牛.級(jí)聯(lián)碰撞，在級(jí)聯(lián)碰撞區(qū)內(nèi)的反沖原子如果具Q囈莩霰礱嫻哪芰烤頭⑸∩�。能量謸]懈叱黿ι溷兄導(dǎo)副兜娜肷淞Ｗ硬拍懿桓齷蛘嘸父齜闖逶櫻⑶抑揮械閉馇闖逶喲嬖謨誑拷礱媧κ�，昌嬓覛gǖ母怕蝕锏獎(jiǎng)礱娑莩�。等离转q逯刑右蕕睦胱幽芰懇話閽

本文編號(hào)：2539290