铜合金基体上电沉积钨涂层及其性能研究
发布时间：2019-09-21 09:44
【摘要】：金属钨因其高的熔点,低的溅射产额和良好的热物理性能被选为核聚变堆第一壁面向等离子体材料的候选材料(PFMs, Plasma Facing Materials)。 PFMs必须与热沉材料或低活化的结构材料连接组合成面向等离子体部件,才能在核聚变装置中使用。因此,先进钨涂层制备技术对于聚变堆的发展具有重要意义。本研究课题利用二元Na2WO4-WO3和三元Na2WO4-WO3-NaPO3熔盐体系,在热沉材料铜合金(CuCrZr)基体上制备了不同厚度的钨涂层,并对其制备工艺参数、涂层的结构与性能等进行了系统研究。主要的研究成果如下： (1)采用二元Na2WO4-WO3熔盐体系,通过直流电沉积方式在CuCrZr合金基体上制备出金属钨涂层。研究了电流沉积时间对电沉积钨涂层微观形貌和力学性能的影响,研究结果表明,电流密度增加,钨涂层晶粒尺寸增大,涂层厚度增加,涂层表面变得不均匀,电流效率不断下降。钨涂层的硬度和氧含量随着电沉积时间的增加而下降。 (2)采用二元Na2WO4-WO3熔盐体系,通过脉冲电沉积方式在CuCrZr合金基体上制备出金属钨涂层,并对直流和脉冲两种方式对电沉积钨涂层的结构与性能的影响进行了对比。结果显示两种方式都能获得体心立方结构的钨涂层,钨涂层晶体结构没有明显的改变。钨涂层与铜合金基体间结合紧密,没有明显的孔洞和裂纹。与直流电沉积相比,脉冲电沉积更有利于对涂层的厚度、晶粒尺寸和力学性能等进行控制。 (3)采用二元Na2WO4-WO3熔盐体系,当熔盐温度为1173K时,脉冲电沉积150h,成功地在CuCrZr基体上沉积出厚度达到1mm的钨涂层。测试结果表明钨涂层具有良好的结合强度和较高的热导率。钨涂层与CuCrZr基体的结合强度接近60MPa；平行晶粒生长方向涂层热导率测试结果为150.86W·m-I·K-1。厚金属钨涂层经EAST装置辐照后,涂层表面和截面未有裂纹和孔洞的出现,表明钨涂层具有良好的抗等离子冲刷能力。 (4)对熔盐电沉积前后CuCrZr合金基体的力学性能进行了评价,并研究了时效热处理对钨涂层和CuCrZr合金基体的力学性能的影响。结果发现,熔盐电沉积后,CuCrZr合金基体的力学性能有比较明显的下降。在温度为703K时,对电沉积后的铜合金基体和钨涂层时效热处理12h,测试结果表明CuCrZr合金基体的强度增加,满足ITER中CuCrZr合金基体的力学性能要求,钨涂层的结合强度和热导率未发生明显的改变。 (5)在三元Na2WO4-WO3-NaPO3熔盐体系中,采用直流电沉积,在熔盐温度为1153K时,成功地在CuCrZr基体上制备出钨涂层。与二元熔盐体系相比,添加NaPO3能有效地改善涂层的表面质量。直流电流密度和电沉积时间对涂层的微观形貌有着重要的影响。随着直流电流密度从50mA·cm-2增加到80mA·cm-2,涂层的晶粒尺寸也随之从7.01μm增加到12.44μm。随着电流密度的增加,涂层的厚度也逐渐增加,电流密度为70mA·cm-2时达到了最大值34.40gm。这些结果说明钨涂层的厚度和显微结构可以通过改变直流电沉积的工艺参数进行调整和优化。 (6)在三元Na2WO4-WO3-NaPO3熔盐体系中,采用脉冲电沉积方式,在熔盐温度1073K时,可以获得体心立方结构的金属钨涂层。NaPO3添加量和电沉积温度对涂层的微观形貌有一定的影响。随着NaPO3添加量的增多,晶粒尺寸减小,而随着电沉积温度的升高,晶粒尺寸增大。脉冲电流参数同样对涂层的微观形貌有着重要的影响,当脉冲电流密度为40-60mA·cm-2,占空比为0.1-0.25,周期为10ms时,能获得涂层质量较好的金属钨涂层。
【图文】：
着受控核聚变在世界范围内进入全面快速发展的阶段，有望实现能源的安全利用并走出能源危机的局面。图2-1是ITER结构示意图。在整个核聚变反应堆中，材料问题核聚变反应堆正常运行和^u展的关键问题之一。ft图2-1丨TER结构示意图面向等离子体材料（PFMs)指的是磁约束核聚变反应堆装置中直接面对等离子体的材料，，在前的聚变装置中主要有以下部件：（1)构成等离子体室的第一壁；（2)偏滤器系统；（3)包壳系统，将聚变能转换为热能，并且为增殖燃料循环提供l#；（4)限制器的装甲材料等等。其中最重要的是第一壁和偏滤器系统，相关材料的选择关系到等离子体的正常运行。-3 -
料表面可引起材料表面原子的溅射、材料表面起泡和剥离以及等离子体污染等现象。图2-2为偏滤器结构中等离子体与材料的交互作用示意图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图2-2偏滤器结构中等离子体与材料的相互作用(1 ) 材料表面原子激射材料表面原/?溅射也括物理雅射和化学n派鋄I6，17】。入射离子通过碰撞交换使得}\0原子的能i：足以克服祀原子间的g?缚而使之逸出表面，称为物理溅射。入射粒子将靴原子掩离农面所需要的最低能量称为溅射阈能。当入射粒f能量较高T ，在}\0内可产牛.级联碰撞，在级联碰撞区内的反冲原子如果具Q囈莩霰砻娴哪芰烤头⑸∩洹Ｄ芰恐挥懈叱鼋ι溷兄导副兜娜肷淞Ｗ硬拍懿桓龌蛘呒父龇闯逶樱⑶抑挥械闭馇闯逶哟嬖谟诳拷砻娲κ保庞幸欢ǖ母怕蚀锏奖砻娑莩觥５壤胱犹逯刑右莸睦胱幽芰恳话阍
本文编号：2539290
【图文】：
着受控核聚变在世界范围内进入全面快速发展的阶段，有望实现能源的安全利用并走出能源危机的局面。图2-1是ITER结构示意图。在整个核聚变反应堆中，材料问题核聚变反应堆正常运行和^u展的关键问题之一。ft图2-1丨TER结构示意图面向等离子体材料（PFMs)指的是磁约束核聚变反应堆装置中直接面对等离子体的材料，，在前的聚变装置中主要有以下部件：（1)构成等离子体室的第一壁；（2)偏滤器系统；（3)包壳系统，将聚变能转换为热能，并且为增殖燃料循环提供l#；（4)限制器的装甲材料等等。其中最重要的是第一壁和偏滤器系统，相关材料的选择关系到等离子体的正常运行。-3 -
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