專利名稱：噴涂有厚鎢涂層的第一壁部件或銅合金熱沉及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于核聚變裝置中的第一壁部件(熱沉部件)，具體來說是一種銅合金熱沉上真空等離子體噴涂厚鎢涂層及其制作方法。
背景技術(shù)：
隨著國際熱核聚變實驗堆ITER的即將建造，研究適合ITER及今后聚變反應(yīng)堆要求的面對等離子體材料(PFM)是目前聚變研究的熱點、難點和前沿研究課題，是直接關(guān)系到今后聚變反應(yīng)堆能否實現(xiàn)的問題。
經(jīng)多年研究，目前公認(rèn)并可供選擇的面對等離子體材料主要有高Z(原子序數(shù))的鎢與低Z的(C、Be)。其中低Z材料在等離子體性能改善和代表聚變研究進(jìn)展的能量三乘積(neTe×τE)提高上起到了相當(dāng)重要的作用。迄今碳基材料(CBM)以其低Z、優(yōu)良的熱物理和力學(xué)性能而廣泛使用在大中型托卡馬克裝置中。對于CBM由于荷能粒子轟擊而產(chǎn)生的較高物理濺射、化學(xué)濺射和輻射增強(qiáng)升華損失，不僅使第一壁使用壽命降低，而且使等離子體芯部雜質(zhì)水平升高，更為主要的是在以ITER為代表的基于D+T反應(yīng)的下一代磁約束聚變裝置中，再沉積碳層中的高氚滯留量所導(dǎo)致的裝置經(jīng)濟(jì)性和安全運行問題，使得CBM作為未來聚變反應(yīng)堆PFM使用的可能性受到了很大限制。ITER已選用鎢作為主要的偏濾器靶板材料，而用C/C復(fù)合材料作為其余部分，如果再沉積碳層中的高氚滯留問題得不到很好解決，在ITER后期氘氚運行階段，就有可能采用鎢作為ITER全部偏濾器靶板材料。低Z材料對于今后聚變反應(yīng)堆第一壁，其壽命太短。使用低Z材料(C、Be)每年將被濺射腐蝕掉3mm以上；而高Z鎢每年濺射腐蝕產(chǎn)額還不到0.1mm，如果第一壁以每五年更換一次來計算，其總腐蝕產(chǎn)額也不超過0.5mm。用高Z鎢及其合金作為PFM顯然是個好的選擇，即使ITER裝置目前第一壁材料暫定為Be，但在其后期氘、氚運行階段采用鎢作為第一壁和啟動限制器材料是其預(yù)留方案。因此對于今后穩(wěn)態(tài)運行聚變反應(yīng)堆，用低Z材料作為PFM即將成為歷史，高Z鎢將成為最有希望的侯選壁材料。
對于高功率、穩(wěn)態(tài)運行聚變裝置，高熱負(fù)荷的實時移出是第一壁安全運行的必要條件，這不僅對PFM，而且對其與熱沉的連接提出了苛刻要求。鎢常溫下屬脆性，加工和使用不便，特別是鎢與銅合金熱沉的熱膨脹系數(shù)相差較大(4倍多)，這給鎢基第一壁材料系統(tǒng)功能集成帶來了相當(dāng)?shù)睦щy。ITER偏濾器靶板項目已發(fā)展了在銅合金熱沉上通過活性金屬澆鑄一純銅層，再經(jīng)過等靜壓或電子束焊接等實現(xiàn)鎢棒(Rod)、層(Lamellar)和刷(Macrobrush)等三種概念連接，該工藝復(fù)雜且成本很高，難以大面積使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將提供一種噴涂有厚鎢涂層的第一壁部件(銅合金熱沉)及其制作方法，采用鎢涂層作為面對等離子體部件材料，可廣泛應(yīng)用到核聚變實驗裝置的偏濾器靶板與限制器等高熱負(fù)荷部件上。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下噴涂有厚鎢涂層的核聚變裝置中的第一壁部件或銅合金熱沉，其特征在于是在銅合金表面依次采用真空等離子體噴涂適配層、鎢涂層構(gòu)成，銅合金作為熱沉材料，適配層為NiCrAl材料，鎢涂層作為面對等離子體材料。
所述的第一壁部件或銅合金熱沉，其特征在于適配層厚度為0.1-0.5毫米，鎢涂層1-3毫米，銅合金采用CuCrZr合金。
噴涂有厚鎢涂層的核聚變裝置中的第一壁部件或銅合金熱沉的制作方法，其特征在于在真空等離子體噴涂設(shè)備中，采用CuCrZr合金熱沉作為基片，在基片上采用真空等離子體噴涂200-300目的NiCrAl粉作為中間適配層，再在適配層上采用真空等離子體噴涂鎢粉作為厚鎢涂層，整個噴涂過程中采用主動水冷，將基片的溫度控制在100-500℃。
所述的制作方法，其特征是將基片經(jīng)真空等離子體轉(zhuǎn)移弧清洗后，噴涂NiCrAl粉作為中間適配層，適配層厚度控制在0.1-0.5毫米，噴涂鎢等離子體弧中心溫度在12000～15000K，等離子體弧速度在400～500m/s，鎢粉平均粒徑在2～5微米，鎢涂層密度控制在體材料的85～95％，鎢涂層中氧含量控制在0.06～0.15％，鎢涂層厚度在2毫米左右。
今后的聚變反應(yīng)堆應(yīng)該是穩(wěn)態(tài)運行的，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行的必要條件是能夠?qū)崟r地移出沉積在第一壁上的熱負(fù)荷，其高熱負(fù)荷部件的熱通量通?？蛇_(dá)5～10MW/m2。鎢的熔點是所有金屬中最高的，鎢已被重新確認(rèn)為今后聚變反應(yīng)堆中最有希望的候選壁材料，但其常溫下屬脆性，加工過程中容易氧化、也容易被雜質(zhì)所污染、損害鎢涂層作為面對等離子體材料的性能。CuCrZr合金有很高的熱導(dǎo)率，優(yōu)良的熱力學(xué)與機(jī)械性能，是理想的熱沉材料。但鎢與銅合金的彈性模量與熱膨脹系數(shù)(4倍多)相差較大，如何實現(xiàn)這樣兩種性能差異很大材料的大面積連接，相當(dāng)棘手。
本發(fā)明通過材料性能優(yōu)化設(shè)計選用0.5毫米厚NiCrAl適配層，能有效地解決鎢與銅合金熱沉之間的殘余應(yīng)力問題，使鎢涂層在承受穩(wěn)態(tài)高熱負(fù)荷的時候，其壽命能夠得到預(yù)期要求；真空等離子體噴涂的鎢涂層，其結(jié)構(gòu)均勻、致密，其中的有害雜質(zhì)(如氧)能夠得到很好的控制，其綜合性能能夠滿足面對等離子體材料的極高要求。
對于國家大科學(xué)工程EAST偏濾器靶板、ITER后期及今后聚變反應(yīng)堆第一壁2～3mm厚的鎢瓦壽命即已足夠，因此本發(fā)明直接在銅合金熱沉上通過真空等離子體噴涂的厚膜鎢涂層完全可以滿足工程要求。
本發(fā)明噴涂的工藝，在通水冷卻的情況下將基片溫度控制在在500℃以下，這樣能夠較好地抑制涂層中鎢晶粒長大與降低涂層中的殘余應(yīng)力；通過材料性能優(yōu)化設(shè)計，選用0.5毫米NiCrAl作為中間適配層，能夠較好地解決兩種性能差異較大材料連接后的殘余應(yīng)力問題，使涂層系統(tǒng)在承受穩(wěn)態(tài)高熱負(fù)荷時，其壽命得到預(yù)期的要求；采用等離子體弧中心溫度在12000～15000K，等離子體弧速度在400～500m/s，能夠很好地實現(xiàn)平均粉體直徑在2～5微米的鎢噴涂，在嚴(yán)格控制雜質(zhì)與氣氛的情況下，涂層中氧含量能夠控制在0.06～0.15％范圍內(nèi)，實現(xiàn)的涂層密度為體材料的85～95％。這樣的鎢涂層性能優(yōu)良，在主動冷卻熱負(fù)荷實驗中，可以穩(wěn)態(tài)地承受5～10MW/m2熱負(fù)荷的長期作用。該種工藝相對簡單、可靠，并可廣泛應(yīng)用到目前核聚變實驗裝置偏濾器靶板與限制器等高熱負(fù)荷部件上。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
參見

圖1，首先將CuCrZr合金加工成100×30×20毫米的方塊，在離上表面10毫米的中心處確定為圓心，通過深孔鉆打一直徑為10毫米的圓孔，兩邊分別焊上連接的水管。將這樣的基片表面上經(jīng)過噴沙等處理后，安裝到真空等離子體噴涂設(shè)備上，兩端的水管與冷卻水連接好，抽真空后再將噴涂面經(jīng)轉(zhuǎn)移弧清洗，噴涂過程中需采用主動水冷將基片溫度一直控制在500℃以下。
在噴涂過程中，首先噴涂300目的NiCrAl粉作為中間適配層，適配層厚度控制在0.5毫米以內(nèi)；再噴涂鎢粉作為面對等離子體材料，噴涂等離子體弧中心溫度在12000～15000K，等離子體弧速度在400～500m/s，鎢粉平均粒徑在2~5微米，涂層厚度在2毫米左右，涂層密度為體材料的85～95％；涂層中氧含量控制在0.06～0.15％范圍內(nèi)。
使用時，將本發(fā)明的兩根水管分別連接到真空等離子體噴涂設(shè)備的內(nèi)置冷卻水上，銅合金熱沉直接安裝在結(jié)構(gòu)支撐上。通水冷卻后，就可以放心地作為面對等離子體部件使用在聚變實驗裝置的高熱負(fù)荷部件上。
權(quán)利要求
1.噴涂有厚鎢涂層的第一壁部件或銅合金熱沉，其特征在于是在銅合金表面依次采用真空等離子體噴涂適配層、鎢涂層構(gòu)成，銅合金作為熱沉材料，適配層為NiCrAl材料，鎢涂層作為面對等離子體材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一壁部件或銅合金熱沉，其特征在于適配層厚度為0.1-0.5毫米，鎢涂層1-3毫米，銅合金采用CuCrZr合金。
3.噴涂有厚鎢涂層的第一壁部件或銅合金熱沉的制作方法，其特征在于在真空等離子體噴涂設(shè)備中，采用CuCrZr合金熱沉作為基片，在基片上采用真空等離子體噴涂200-300目的NiCrAl粉作為中間適配層，再在適配層上采用真空等離子體噴涂鎢粉作為厚鎢涂層，整個噴涂過程中采用主動水冷，將基片的溫度控制在100-500℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征是將基片經(jīng)真空等離子體轉(zhuǎn)移弧清洗后，噴涂NiCrAl粉作為中間適配層，適配層厚度控制在0.1-0.5毫米，噴涂鎢等離子體弧中心溫度在12000～15000K，等離子體弧速度在400～500m/s，鎢粉平均粒徑在2～5微米，鎢涂層密度控制在體材料的85～95％，鎢涂層中氧含量控制在0.06～0.15％，鎢涂層厚度在2毫米左右。
全文摘要
本發(fā)明公開了噴涂有厚鎢涂層的第一壁部件或銅合金熱沉及其制作方法，是在銅合金表面依次采用真空等離子體噴涂適配層、鎢涂層構(gòu)成，銅合金作為熱沉材料，適配層為NiCrAl材料，鎢涂層作為面對等離子體材料。適配層厚度控制在0.5毫米以內(nèi)；噴涂等離子體弧中心溫度在12000～15000K，等離子體弧速度在400～500m/s，鎢粉平均粒徑在2～5微米，涂層厚度在2毫米左右，涂層密度為體材料的85～95％，氧含量控制在0.06～0.15％，整個噴涂過程中基片均需要采用主動水冷將其溫度控制在500℃以下。解決了這兩種材料之間大面積連接的關(guān)鍵性難題，在主動冷卻情況下其可以穩(wěn)態(tài)承受5～10MW/m
文檔編號C23C14/00GK1787115SQ20051009515
公開日2006年6月14日 申請日期2005年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者陳俊凌, 李建剛 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所