專利名稱：一種采用冷氣動力噴涂技術(shù)制備鎢涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明屬于涂層的制備技術(shù)，特別涉及高熔點金屬鎢涂層的制備方法，具體是采用冷氣動力噴涂技術(shù)在銅合金基體或不銹鋼基體上的制備涂層。
背景技術(shù)：
隨著國際熱核聚變堆(International Thermonuclear Experimental Reactor ITER)在法國的建造，研究適合ITER及今后聚變反應堆要求的面向等離子體材料(Plasma Facing Materials :PFM)禾口面向等離子體部件(Plasma Facing Components :PFC)是目前聚變研究的熱點、難點和前沿研究課題，是直接關(guān)系到今后聚變堆能否實現(xiàn)的問題。經(jīng)過多年研究，目前公認并可供選擇的面向等離子體材料主要有高Z (原子序數(shù))的W與低Z的 C、Be。以ITER為代表的基于D + T反應的下一代磁約束聚變裝置中，碳的化學濺射和再沉積碳層中的高氚滯留所導致的裝置經(jīng)濟性和安全運行問題，使得碳基材料(Carbon Based Materials :CBM)作為未來聚變反應堆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，很可能采用鎢作為ITER全部偏濾器靶板材料。同時，鎢具有高的熔點、不與氚發(fā)生共沉積等特點，H. Bolt等在2004年提出和評價了一個全鎢覆蓋內(nèi)表面的聚變堆裝置，因此，從目前來看鎢顯示出是最有前景的一種面向等離子體材料。鑒于W在未來壁材料中的重要地位。中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所(以下簡稱等離子體所)獨立建造的世界上第一個具有非圓截面的全超導托卡馬克 EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)，石角定了 步從現(xiàn)在的全C變成全W-PFM的發(fā)展方向。為了有效解決聚變堆中PFC部件的連接問題，涂層技術(shù)在實驗聚變堆裝置中得到了廣泛的應用，涂層技術(shù)不僅可適用于結(jié)構(gòu)復雜的基體，而且面向等離子體材料的制備及其與熱沉材料的連接可以一步完成。相比較物理氣相沉積和化學氣相沉技術(shù)，等離子體噴涂操作簡單易行，沉積效率高等優(yōu)點，但是等離子體噴涂目前能夠制備出低氧含量的鎢涂層主要是真空或低壓等離子體噴涂，而真空或低壓等離子體噴涂成本高，并且試樣的尺寸受到限制，基體的預熱使得銅合金基體特別是彌散強化的銅合金的性能大大降低。而大氣等離子體噴涂制備的鎢涂層的氧含量較高，難以滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明目的是提供一種制備的涂層致密，無氧化現(xiàn)象存在，涂層界面結(jié)合完好，沒有孔隙、裂紋等缺陷，可制備小于10微米的鎢涂層的采用冷氣動力噴涂技術(shù)制備鎢涂層的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種采用冷氣動力噴涂技術(shù)制備鎢涂層的方法，具體步驟如下
1)將銅合金或不銹鋼材料按固定的規(guī)格切割好，用丙酮對銅合金或不銹鋼材料的噴涂表面進行去油污處理，在用無水乙醇超聲波清洗，脫水干燥，最后用噴砂機對表面進行噴砂處理，備用；
2)將經(jīng)過上述步驟處理過的銅合金或不銹鋼材料安裝在冷氣動力噴涂的卡具上， 采用粒度為0. 4-10微米的鎢粉，氮氣或氦為氣載氣和加速氣體，氣流量為70. O-SOmVh, 送粉量在10-50g/min，噴涂距離在10mm-50mm對銅合金或不銹鋼材料表面進行噴涂；其中，采用氮氣作為加速氣體和載氣時，冷氣動力噴涂的溫度控制在500°C -800°C，氣流壓力在20bar-50bar ；當采用氦氣作為加速氣體和載氣時，冷氣動力噴涂的溫度控制在 100-600°C，氣流壓力在 10bar_50bar。本發(fā)明的有益效果是 (1)噴涂過程溫度低
噴涂工作溫度低，對噴涂粒子和基體的熱影響小。噴涂粒子基本沒有氧化、相變或晶粒長大，適用于溫度敏感材料、氧化敏感材料和相變敏感材料；而對基體熱影響小的直接優(yōu)勢使基體有更廣泛的選擇空間，同時也避免了熱噴涂凝固過程中產(chǎn)生的宏觀和微觀偏聚，保留了噴涂材料粒子本來的特性。同時，可以制備納米涂層和非晶態(tài)涂層。(2)涂層承受壓應力
形成的涂層承受壓應力，有利于制備較厚的涂層。冷噴涂中殘余拉應力低，與之對應的是在熱噴涂中，由于噴涂材料的凝固收縮，涂層中形成了有害的殘余拉應力。形成涂層的孔隙率低且和基體有較高的結(jié)合強度。(3)經(jīng)濟和環(huán)保
冷氣動力噴涂設備相對比較簡單，無需等離子體、電弧、起爆、燃燒及用于加熱噴射氣體的復雜設備。無熱輻射，無需高溫熱源，成本較低。操作簡便和安全，送粉速度快，生產(chǎn)率較高。針對冷氣動力噴涂制備的涂層氧含量低、涂層殘余拉應力低、可以制備大面積的厚涂層和可原位修復的優(yōu)點。


圖1是冷動力噴涂系統(tǒng)的原理示意圖。圖2是本發(fā)明實施例1的噴涂的表面形貌示意圖。圖3是本發(fā)明實施例2的噴涂的表面形貌示意圖。圖4是本發(fā)明實施例3的噴涂的表面形貌示意圖。圖5是本發(fā)明實施例4的噴涂的表面形貌示意圖。圖6是本發(fā)明實施例5的噴涂的表面形貌示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明。(1)首先將銅合金和不銹鋼加工成所需要的形狀，用酒精加超聲波清洗，然后用噴砂將噴涂面毛化。(2)將原始鎢粉進行真空烘干處理。(3)把處理好的基體安裝在冷氣動力噴涂設備的工裝上，調(diào)整噴涂距離。(4)設定好實驗參數(shù)后對基體進行冷噴涂。
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明。實施例1
冷氣動力噴涂所用的銅合金為市售，試樣尺寸為20mmX 30mmX 10mm，用丙酮對噴涂表面進行去油污處理，無水乙醇超聲波清洗，脫水干燥，最后用噴砂機對表面進行噴砂處理。把處理好的試樣放在冷氣動力噴涂的夾具上，然后用冷氣動力噴涂設備Kinetic 3000進行冷噴涂，使用氮氣為載氣和加速氣體，工藝參數(shù)為噴涂溫度為730°C，壓力為 32. 2bar，氣流量為75. 0m3/h，噴涂距離為30mm，送粉量為20g/min。噴涂的樣品的表面形貌如圖2所示。實施例2
冷氣動力噴涂所用的316L不銹鋼為市售，試樣尺寸為20mmX30mmX10mm，用丙酮對噴涂表面進行去油污處理，無水乙醇超聲波清洗，脫水干燥，最后用噴砂機對表面進行噴砂處理。把處理好的試樣放在冷氣動力噴涂的夾具上，然后用冷氣動力噴涂設備Kinetic 3000進行冷噴涂，使用氮氣為載氣和加速氣體，工藝參數(shù)為噴涂溫度為500°C，壓力為 20bar，氣流量為70. 0m3/h，噴涂距離為50mm，送粉量為50g/min。噴涂的樣品的表面形貌如圖3所示。實施例3
冷氣動力噴涂所用的銅合金為市售，試樣尺寸為20mmX 30mmX 10mm，用丙酮對噴涂表面進行去油污處理，無水乙醇超聲波清洗，脫水干燥，最后用噴砂機對表面進行噴砂處理。把處理好的試樣放在冷氣動力噴涂的夾具上，然后用冷氣動力噴涂設備KM-CDS 進行冷噴涂，使用氦氣為載氣和加速氣體，工藝參數(shù)為噴涂溫度為250°C，壓力為lObar，氣流量為75. 0m3/h，噴涂距離為10mm，送粉量為lOg/min。噴涂的樣品的表面形貌如圖4所示。實施例4冷氣動力噴涂所用的銅合金為市售，試樣尺寸為20mmX 30mmX 10mm，用丙酮對噴涂表面進行去油污處理，無水乙醇超聲波清洗，脫水干燥，最后用噴砂機對表面進行噴砂處理。把處理好的試樣放在冷氣動力噴涂的夾具上，然后用冷氣動力噴涂設備Kinetic 3000進行冷噴涂，使用氮氣為載氣和加速氣體，工藝參數(shù)為噴涂溫度為800°C，壓力為 50bar，氣流量為80. 0m3/h，噴涂距離為30mm，送粉量為25g/min。噴涂的樣品的表面形貌如圖5所示。實施例5
冷氣動力噴涂所用的316L不銹鋼為市售，試樣尺寸為20mmX30mmX10mm，用丙酮對噴涂表面進行去油污處理，無水乙醇超聲波清洗，脫水干燥，最后用噴砂機對表面進行噴砂處理。把處理好的試樣放在冷氣動力噴涂的夾具上，然后用冷氣動力噴涂設備Kinetic 3000進行冷噴涂，使用氦氣為載氣和加速氣體，工藝參數(shù)為噴涂溫度為600°C，壓力為 50bar，氣流量為80m3/h，噴涂距離為50mm，送粉量為27g/min。噴涂的樣品的表面形貌如圖 6所示。
權(quán)利要求
1. 一種采用冷氣動力噴涂技術(shù)制備鎢涂層的方法，其特征在于，具體步驟如下1)將銅合金或不銹鋼材料按固定的規(guī)格切割好，用丙酮對銅合金或不銹鋼材料的噴涂表面進行去油污處理，在用無水乙醇超聲波清洗，脫水干燥，最后用噴砂機對表面進行噴砂處理，備用；2)將經(jīng)過上述步驟處理過的銅合金或不銹鋼材料安裝在冷氣動力噴涂的卡具上， 采用粒度為0. 4-10微米的鎢粉，氮氣或氦為氣載氣和加速氣體，氣流量為70. O-SOmVh, 送粉量在10-50g/min，噴涂距離在10mm-50mm對銅合金或不銹鋼材料表面進行噴涂；其中，采用氮氣作為加速氣體和載氣時，冷氣動力噴涂的溫度控制在500°C -800°C，氣流壓力在20bar-50bar ；當采用氦氣作為加速氣體和載氣時，冷氣動力噴涂的溫度控制在 100-600°C，氣流壓力在 10bar_50bar。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采用冷氣動力噴涂技術(shù)制備鎢涂層的方法，屬于金屬表面工程。具體是以細鎢粉為原料，采用冷氣動力噴涂技術(shù)在銅合金或不銹鋼基體上制備鎢涂層。在冷氣動力噴涂制備鎢涂層時，鎢粉粒度在0.4-10μm，載氣和加速氣體可以采用氮氣或氦氣，噴涂距離在10-50毫米。當采用氮氣作為加速氣體和載氣時，冷氣動力噴涂的溫度控制在500℃-800℃，氣流壓力在20bar-50bar，送粉量在10-50g/min。當采用氦氣作為加速氣體和載氣時，冷氣動力噴涂的溫度控制在200℃-500℃，氣流壓力在10bar-30bar,送粉量在10-20g/min。本發(fā)明的優(yōu)點是可以在銅合金和不銹鋼上制備鎢涂層，制備的涂層致密，無氧化現(xiàn)象存在，涂層界面結(jié)合完好，沒有孔隙、裂紋等缺陷，可制備小于10微米的鎢涂層。
文檔編號C23C24/04GK102260869SQ201110201469
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者張小鋒, 葛昌純, 郭雙全 申請人:北京科技大學