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大气等离子体喷涂钨涂层的制备和改性及高热负荷测试研究

【摘要】:大气等离子体喷涂(APS)是一种沉积效率高,经济便捷的涂层技术,可以一步解决面向等离子体材料钨的制备及其与热沉铜的连接问题。但是,传统APS钨涂层存在一些固有缺陷,如结合强度低、孔隙率大、含氧量高等。论文结合APS优缺点,在钨涂层材料和钨铜水冷部件的制备、性能改进及高热负荷测试等方面开展了一系列研究工作。在钨涂层制备方面,采取多种方法改进和优化传统APS工艺,包括高速等离子体喷涂、亚微米钨粉喷涂及主动水冷喷涂方法等,对使用改进方法制备的钨涂层的相关性能进行了测试和比较,结果表明,改进方法喷涂钨涂层的性能优于传统APS钨涂层。本文创新性地提出采用退火和表面重熔工艺改进APS钨涂层性能,探索通过后处理提升喷涂涂层性能的可行性。研究了真空和氢氛围退火对喷涂钨涂层性能的影响,以及高能电子束重熔处理后,喷涂钨涂层表面微观结构变化。结果表明,一定温度下退火处理能将涂层中的氧化钨还原成钨,降低氧含量;钨出现再结晶现象,涂层孔隙率降低,显微硬度和热导率值提高。表面重熔处理后,钨涂层由层状机械结合变成了冶金结合,显微硬度和纯度得到提升。针对面向等离子体材料和部件的高热负荷测试需求,分别建立了能量密度达到100 J/cm2的瞬态热负荷测试平台,以及功率100 kW、扫描频率10 kHz的稳态热负荷测试平台,并对相关诊断仪器和设备进行了匹配和标定,使两个平台均具备了开展高热负荷测试和评价的能力。本文率先在建立的瞬态热负荷测试平台上对比测试和研究了 APS钨涂层和化学气相沉积(CVD)钨涂层的抗瞬态热负荷冲击能力。高功率密度电子束冲击下,APS钨涂层表面出现熔化、再结晶以及蒸发和剥落现象,涂层质量有少许损失,无贯穿性裂纹。CVD钨涂层表面没有熔化现象,但出现网状裂纹,并随功率密度增加呈现增宽加密趋势。同时在建立的稳态热负荷测试平台上对APS钨铜水冷模块进行了测试和评估,研究了不同冷却水流速、功率密度加载时,表面及界面温度变化。结果表明,APS钨铜水冷模块可以经受500次8.5 MW/m2的热疲劳冲击,表面温度接近900℃。这些研究工作评估了 APS钨材料和部件的性能,验证了测试平台的可靠性,获取了第一手资料,为平台的进一步应用和升级改造积累了丰富经验。

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