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低压等离子喷涂W涂层的制备和表征

【摘要】:采用低压等离子喷涂在热沉材料CrZrCu表面沉积物理性能稳定的W涂层被认为是聚变堆中理想的面向等离子体第一壁材料。然而,W涂层的性能包括氧含量、孔隙率和热导率等在很大程度上影响着其应用。氧含量过高、孔隙率过大都会使W涂层的热导率降低,从而削弱第一壁材料带走表面辐照热的能力,最终导致第一壁材料失效。 本文开展了低压等离子喷涂W涂层的研究工作,对喷枪和粉末进行了优选,对送粉方式、喷涂功率和喷涂压力等进行了优化,采用SEM、XRD、TC-600氧氮分析仪、激光闪点法等对涂层的显微结构和性能进行了表征,并探讨了工艺参数对涂层显微结构和性能的影响,获得了以下结论: 1)传统F4枪沉积W涂层的沉积率仅为35%,涂层中观察到较多未熔颗粒;而改进型的F4-M喷枪可在较低功率下获得沉积率为60%,涂层中没有观察到明显的未熔颗粒。由于15~30μm钨粉可在等离子焰流中充分熔融并铺展开,获得了孔隙率低于2%的W涂层。所以优选15~30μm粉末作为热喷涂粉末材料。 2)内送粉所沉积的涂层均较外送粉沉积W涂层差;而当功率达到35kw时,利用15~30μm粉末在等离子焰流中充分熔融,可以获得致密度大于98%的W涂层;喷涂压力对涂层的显微结构有显著的影响,在200和300torr压力下均可以获得孔隙率和氧含量均较低的W涂层。 3)铜合金基体表面直接大面积沉积厚W涂层的热导率达到110.76W/m·K,以微米级孔隙为主,涂层的显微结构和性能均优于其他化工艺所沉积W涂层,基体预热到60℃可以避免因W粉末冷淬而导致涂层开裂。 最终优化的W涂层沉积工艺为:采用F4-M喷枪,以15~30μm粒径的W粉作为热喷涂材料,在35kW、200torr喷涂压力下可以获得性能优良的W涂层。

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