低压等离子喷涂W涂层的制备和表征

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 热喷涂技术及等离子喷涂发展现状
• 1.2.1 热喷涂技术的概述
• 1.2.2 等离子喷涂技术的原理、设备、特点及其分类
• 1.3 喷涂工艺参数研究
• 1.4 W涂层制备及国内外研究现状
• 1.4.1 W涂层制备技术
• 1.4.2 W涂层国内外研究现状
• 1.5 本论文研究内容及创新之处
• 1.5.1 研究难点
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 创新之处
• 1.5.4 研究路线
• 第二章 实验方法与表征
• 2.1 涂层设计
• 2.2 涂层制备
• 2.2.1 基体表面预处理
• 2.2.2 钨涂层制备
• 2.3 试样的分析与表征
• 2.3.1 光学显微镜观察及孔隙率测定
• 2.3.2 扫面电镜观察分析
• 2.3.3 孔隙率测量
• 2.3.4 涂层硬度测量
• 2.3.5 涂层氧含量测量
• 2.3.6 涂层热导率测试
• 2.3.7 涂层物相分析
• 2.3.8 涂层孔径分布测试
• 第三章 新型喷枪沉积W涂层及粉末优选
• 3.1 引言
• 3.2 新型喷枪的设计
• 3.3 实验方法与表征
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 喷枪对涂层显微结构和沉积率的影响
• 3.4.2 热喷涂粉末优选
• 3.5 本章小结
• 第四章 LPPS喷涂W涂层工艺优化及性能表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 送粉方式对W涂层的影响
• 4.3.2 喷涂功率对W涂层的影响
• 4.3.3 喷涂压力对W涂层的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 厚钨涂层制备及性能表征
• 5.1 引言
• 5.2 厚钨涂层的制备
• 5.3 厚钨涂层显微结构表征
• 5.4 厚钨涂层相分析
• 5.5 厚钨涂层性能表征
• 5.6 预热温度和长时间喷涂对W涂层沉积的影响
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附表