CN102400084B - 一种致密钨涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种致密钨涂层的制备方法，属于表面工程技术领域。其特征在于：以微细钨粉为原料，采用射频等离子体为高温热源提供充足的热量，氩气为工作气和粉末载气将钨粉送入等离子体高温区，钨粉穿过等离子体高温区时迅速吸热、熔融，完全熔融的钨粉在氩气保护气氛下沉积、熔覆、凝固在基体表面，形成致密的钨涂层。其优点是射频等离子体能量密度高，粉末完全熔融球化，制备出的钨涂层致密度高，气孔率低，涂层与基体结合强度高；同时，粉末的利用率高，生产成本低。本方法制备的钨涂层具有良好的抗热辐照和抗热冲击性能，适合应用于核聚变装置中的面向等离子体材料等领域。

Description

一种致密钨涂层的制备方法
技术领域
 本发明属于表面工程技术领域，特别是提供了一种利用射频等离子体制备致密钨涂层的方法。
背景技术
面向等离子体材料（Plasma Facing Materials，PFMs，又称第一壁材料）是指在聚变装置内直接面向高温等离子体，需要承受高能粒子和高热量冲击用来保护聚变装置的材料。在热核聚变装置中，面向等离子体材料既要承受高热负荷要求，又要满足等离子体破裂时的大功率能量沉积和高能离子辐照要求。钨具有高熔点(3410℃)、导热性能好、较低的溅射率、较高的溅射能量阀值、不与氢同位素反应、与等离子体好的兼容性和低的腐蚀率等优点，是最有前景的一种面向等离子体材料。
为了解决面向等离子体材料的制备及其与热沉材料连接问题，涂层技术广泛应用在实验聚变堆装置中。目前，在钢基体或铜基体上制备钨涂层的方法很多，如物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、等离子体喷涂（Plasma Spraying，PS）等。物理气相沉积和化学气相沉积涂层具有高的密度和纯度，而且呈垂直于表面的柱状晶粒结构，这一点对于高热流部件是有益的。但它的高密度不利于应力的释放，裂纹一旦形成将很容易扩展。同时，气相沉积技术工艺复杂，沉积效率低，厚涂层制备困难，成本较高。等离子体喷涂具有工艺简单，成本低廉，可制备形状复杂的涂层工件。其缺点是涂层中存在气孔、裂纹等缺陷，涂层致密度低。同时，涂层与基体为机械结合，结合强度较差，在喷涂过程中粉末容易氧化，不能满足钨涂层在高辐照、高热冲击条件下的使用要求。
本发明的目的在于针对现有等离子体喷涂制备钨涂层技术的不足，提供一种可有效解决涂层与基体结合强度的致密钨涂层的制备方法。以射频等离子体为高温热源，钨粉穿过等离子体高温区时迅速吸热、熔融，完全熔融的钨粉在基体上沉积、熔覆形成致密钨涂层。涂层的制备包括熔融钨粉的喷涂和沉积，又包括完全熔融钨粉在基体上的熔覆。由于完全熔融的钨粉热量很高，熔覆在基体上的涂层与基体之间形成0.05~0.2mm的过渡层，有效地释放了涂层与基体的热应力，涂层与基体实现良好的冶金结合。同时，完全熔融的钨粉沉积、熔覆在基体上，形成致密的钨涂层，具有良好的抗热辐照、抗热冲击性能。
发明内容
本发明的目的在于采用射频等离子体为高温热源，钨粉以完全熔融的状态沉积、熔覆在基体上形成致密的钨涂层。基体材料包括：不锈钢和无氧铜。本发明制备的钨涂层气孔率低，致密度高。涂层与基体为冶金结合，结合强度高；同时，涂层制备过程中避免粉末和涂层的氧化，粉末的利用率高，生产成本低。本方法制备的钨涂层具有良好的抗热辐照和抗热冲击性能，适合应用于核聚变装置中的面向等离子体材料等领域。
本发明的目的通过以下方式实现一种致密钨涂层的制备。其特性是：以微细钨粉为原料，采用射频等离子体为高温热源，氩气为工作气和粉末载气将钨粉送入等离子体高温区，钨粉穿过等离子体高温区时迅速吸热、熔融，完全熔融的钨粉在真空室内于基体上沉积、熔覆在基体上形成致密的钨涂层。
一种致密钨涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）选择平均粒度为5μm~45μm的钨粉为原料，在 90℃的真空干燥箱内烘干备用。以不锈钢、无氧铜或铜合金为喷涂基体，经喷砂预处理后，再用丙酮或酒精进行除油清洗，从而获得清洁、粗糙的表面；       
（2）对真空室进行预抽真空处理，使真空室内真空度达到1×10-3Pa，防止粉末及涂层的氧化。以氩气为工作气体建立稳定运行的氩等离子体炬，以氩气为保护气以防止等离子体工作时石英管内表面温度过高造成毁坏，并以氩气作为粉末载气将钨粉经喂料***、加料枪轴向送入等离子弧中。其主要工艺参数为：其主要工艺参数为：设备运行的等离子体炬工作功率30～75KW，氩气工作气流量20～45slpm，氩气保护气流量20～110slpm，射频等离子体***运行时腔室内压力200～300mm汞柱。 
（3）采用射频等离子体为高温热源，对钨粉进行熔融和沉积处理。以氩气作为粉末载气将钨粉送入等离子体高温区，由于等离子体射流温度极高（高达10000℃），温度范围以中心轴附近向外铺开，钨粉的粉末颗粒在轴线上穿过等离子体高温区瞬间迅速吸热、熔融，完全熔融的钨粉喷入真空室后沉积、熔覆并凝固在基体表面形成致密钨涂层，涂层和基体实现冶金结合。其中，涂层基体采用强制水冷却，使得基体温度处于150~350℃；
其特征在于，所述射频等离子体，其主要工艺参数为：设备运行的等离子体炬工作功率30~75KW，氩气工作气流量20~45slpm，氩气保护气流量60~110slpm，射频等离子体***运行时腔室内压力200~300mm汞柱，粉末载气流量3.5~10slpm，加料速率为5~50g/min。
（4）以氩气为粉末载气将钨粉经喂料***、加料枪轴向送入等离子体高温区中。钨粉颗粒穿过等离子体高温区时瞬间迅速吸热、熔融，完全熔融的钨粉喷入真空室后沉积凝固在基体表面形成致密钨涂层，涂层和基体实现冶金结合。
所述的粉末载气流量为3.5~10slpm，加料速率为5~50g/min。制备出的钨涂层致密度为98~100％，纯钨涂层厚度为0.2~2.5mm。射频等离子体尾焰与基体沉积距离为20~150mm。
本发明以钨粉为原料，以射频等离子体为高温热源，完全熔融的钨粉沉积、熔覆在基体上形成致密的钨涂层。
本发明的优点在于：
（1）采用射频等离子体为热源，氩气为等离子体工作气和粉末载气，真空室预抽真空达到1×10-3Pa，解决钨涂层制备过程中粉末和涂层的氧化问题。同时，粉末的利用率高，生产成本低。
（2）粉末以完全熔融的状态在基体上沉积、熔覆，制备出的钨涂层致密度高，气孔率低。涂层与基体形成0.05~0.2mm的过渡层，涂层与基体实现冶金结合，结合强度高，具有良好的抗热辐照和抗热冲击性能。
附图说明
图1为本发明制备的致密钨涂层的示意图； 
图2为本发明制备的钨涂层的XRD图谱；
图3为本发明制备的致密钨涂层及基体的截面SEM形貌图。此SEM图片的技术参数为：Mag=300×，WD=22mm，EHT=20.00KV，Signal A=QBSD。
具体实施方式
一种致密钨涂层的制备方法，该方法按以下步骤进行：
首先选取微细钨粉为原料，真空烘干箱中90℃烘干后备用，避免粉末在球化过程中的团聚问题。采用射频等离子体为高温热源，在制备钨涂层之前，对真空室进行预抽真空，真空度为1×10-3Pa，防止粉末及涂层的氧化。
建立稳定运行的等离子体炬，设备运行的等离子体炬工作功率保持30～75KW，氩气工作气流量20~45slpm，输入氩气保护气流量20~110slpm，射频等离子体***运行时腔室内压力200~300mm汞柱。以氩气为粉末载气将钨粉送入等离子体高温区，其粉末载气流量3.5~10slpm，加料速率为5~50g/min。在保护气氛下，钨粉穿过等离子体高温区时完全熔融，熔融的钨粉沉积、熔覆在基体上形成致密的钨涂层。涂层的制备过程包括熔融钨粉的喷涂，又包括完全熔融钨粉在基体上的熔覆。由于完全熔融的钨粉热量很高，熔覆在基体上的涂层与基体之间形成0.05~0.2mm的过渡层，有效地释放了涂层与基体的热应力，涂层与基体实现良好的冶金结合。同时，完全熔融的钨粉沉积、熔覆在基体上形成致密的钨涂层，满足在高温条件下具有良好的抗热辐照、抗热冲击性能的要求。图1是本发明制备致密钨涂层的示意图，如图1所示：微细钨粉经射频等离子体高温区后，由于迅速吸热而完全熔融，在基体上沉积、熔覆制备出致密钨涂层。
图2提供了钨粉和制备的致密钨涂层的XRD衍射图。如图2所示，原料钨粉和钨涂层皆为标准的单相钨衍射峰，没有氧化钨存在。图3提供了本发明制备的致密钨涂层的截面SEM形貌照片，如图3所示，制备的钨涂层致密度高，气孔率低。涂层与基体之间形成0.05~0.2mm的过渡层，有效地释放了涂层与基体的热应力，涂层与基体实现良好的冶金结合。
实例1：以平均粒度为5μm钨粉为原料制备钨涂层
以Φ40mm×8mm的不锈钢为基体，经过喷砂预处理，再采用酒精清洗获得洁净、粗糙的表面。平均粒度为5μm的钨粉在90℃真空干燥箱中烘干45min待用。真空室预抽真空为1×10-3Pa。以氩气为工作气和保护气建立稳定运行的射频等离子体炬，设备运行的等离子体炬工作功率为45KW，氩气工作气流量为28slpm，氩气保护气的流量为60slpm，射频等离子体***运行时腔室内的压力为200mm汞柱。以流量为4slpm的氩气将钨粉送入等离子体高温区中，加料速率为5g/min，射频等离子体尾焰与基体距离为25mm，涂层厚度为0.5mm，制备的涂层样品致密度为99.2％，涂层结合强度为48MPa。
实例2：以平均粒度为25μm钨粉为原料制备钨涂层
以Φ40mm×8mm的无氧铜为基体，经过酒精清洗，再经过喷砂预处理得到清洁、粗糙的表面。平均粒度为25μm的钨粉在90℃真空干燥箱中烘干45min待用。真空室预抽真空为1×10-3Pa。以氩气为工作气和保护气建立稳定运行的射频等离子体炬，设备运行的等离子体炬工作功率为55KW，氩气工作气流量为30slpm，氩气保护气流量为80slpm，射频等离子体***运行时腔室内的压力为240mm汞柱。以流量为5slpm的氩气将钨粉送入等离子体高温区中，加料速率为25g/min，射频等离子体尾焰与基体沉积距离为50mm，涂层厚度为1mm，制备的涂层样品致密度为98.8％，涂层结合强度为57MPa。
实例3：以平均粒度为45μm钨粉为原料制备钨涂层
以Φ40mm×8mm的铜合金为喷涂基体，经过喷砂预处理，再采用酒精清洗获得洁净、粗糙的表面。平均粒度为45μm的钨粉在90℃真空干燥箱中烘干45min待用。真空室预抽真空度为1×10-3Pa。以氩气为工作气和保护气建立稳定运行的射频等离子体炬，设备运行的等离子体炬工作功率为75KW，氩气工作气流量为45slpm，氩气保护气的流量为100slpm，射频等离子体***运行时腔室内的压力为300mm汞柱。以流量为4slpm的氩气将钨粉送入等离子体高温区中，加料速率为45g/min，射频等离子体尾焰与基体沉积距离为150mm，涂层厚度为1.5mm，制备的涂层样品致密度为98.1％，涂层结合强度为49MPa。

Claims (1)

1.一种致密钨涂层的制备方法，其特征在于：
步骤一：选择平均粒度为5μm~45μm的钨粉为原料，在 90℃的真空干燥箱内烘干备用；以不锈钢、无氧铜或铜合金为喷涂基体，经喷砂预处理后，再用丙酮或酒精进行除油清洗，从而获得清洁、粗糙的表面；
步骤二：对真空室进行预抽真空处理，使真空室内真空度小于等于1×10-3Pa，防止粉末及涂层的氧化；采用射频等离子体为高温热源，以氩气为工作气建立氩等离子体炬，以氩气为保护气以防止等离子体工作时石英管内表面温度过高造成毁坏，并以氩气作为粉末载气将钨粉经喂料***、加料枪轴向送入等离子弧中；工艺参数为：设备运行的等离子体炬工作功率30～75KW，氩气工作气流量20～45slpm，氩气保护气流量20～110slpm，射频等离子体***运行时腔室内压力200～300mm汞柱；
步骤三：以流量为3.5~10slpm的氩气作为粉末载气将钨粉经加料枪轴向送入等离子弧中，钨粉的加料速率为5~50g/min；钨粉的粉末颗粒在轴线上穿过等离子体高温区瞬间迅速吸热、熔融，完全熔融的钨粉喷入真空室后沉积、熔覆、凝固在基体表面形成致密钨涂层； 
涂层基体在制备过程中采用强制水冷却，使得基体温度处于150~350℃；射频等离子体尾焰与基体沉积距离为20~150mm。
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