[发明专利]包层第一壁钨复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种包层(钨铠甲)第一壁的钨复合涂层及其制备方法，应用于托卡马克装置，该方法包括：设计并制备钨钢混合粉；对低活化钢基进行喷砂处理并对喷砂处理后的钢基进行清洗，将清洗好的钢基安装在爆炸喷涂设备上；将钨钢混合粉送入至爆炸喷涂设备，利用爆炸喷涂设备将钨钢混合粉喷涂在钢基上以形成混合过渡层；将形成有混合过渡层的钢基放置在大气等离子体喷涂设备上；将钨粉送入至等离子体喷涂设备，利用等离子体喷涂设备将钨粉喷涂在形成有混合过渡层的钢基以在混合过渡层上形成钨涂层，进而在钢基上形成包层第一壁钨复合涂层。由此制备出结合强度、致密度及耐热疲劳等性能较优的包层第一壁钨复合涂层材料。

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，尤其涉及一种应用于托卡马克装置的包层(钨铠甲)第一壁的钨复合涂层及其制备方法。

背景技术

面向等离子体材料(Plasma Facing Materials,PFMs)是诸如第一壁(Firstwall)、偏滤器(Divertor)及限制器(Limiter)等面向等离子体部件，被要求具备承受表面高热负荷、较好抗辐照损伤、低中子活化等性能，在热核聚变装置中处于极其重要的地位，其中包层第一壁材料在面向等离子体部件中所占面积最广，对其制备效率、原位修复便利性及成本效益都有极高要求。钨具有高熔点、高热导率、高溅射阈值低溅射产能、低蒸气压以及相对低腐蚀率和低氚滞留等优点一直被认为是最具前景的面向等离子体材料。但是块状钨的韧脆转变温度高，加工困难，因此应用钨在PFMs中较为可行性方法是在热沉或结构材料上覆盖一层钨涂层，尤其是其中第一壁材料分布面积广形状不规则曲面，且所需承受的稳态热负荷较小(≤1MW/m²),可考虑在低活化钢基上制备厚钨涂层应用到包层第一壁材料中。但由于钨和钢的热膨胀系数相差近四倍，在钢基上制备钨涂层会因温度变化而引起较大热应力，影响涂层与基底的结合强度，导致材料脱落开裂失效。

目前制备钨涂层的主要技术手段有物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、熔盐电镀法和等离子体喷涂法(PS)等。PVD和CVD制备的涂层，虽然抗热疲劳、抗热冲击性能较佳，但是工艺复杂成本较高，且沉积效率低，难以制备较厚涂层，达不到制备面向等离子体部件要求的钨涂层厚度。而熔盐电镀法是在高温熔盐条件下通过电镀法沉积钨涂层至基底表面，技术要求很高且沉积效率更低仅为10μm/h。等离子喷涂技术具有生产效率高、喷涂材料广、成本较低、可以制备结构复杂大尺寸工件等优点，但是等离子体喷涂制备的涂层致密度低，涂层与基底结合力较差，喷涂过程中混入氧杂质等问题一直未能解决。因此，有必要提供一种包层第一壁钨复合涂层及其制备方法。

发明内容

本发明提供了一种托卡马克装置包层第一壁的钨复合涂层及其制备方法，以便于制备高结合强度的钨钢复合涂层材料，同时为未来热核聚变反应堆包层第一壁材料的制备积累宝贵经验。

一方面，本发明提供了一种包层第一壁钨复合涂层的制备方法，所述方法包括：

设计并制备钨钢混合粉；

对钢基进行喷砂处理并对喷砂处理后的钢基进行清洗，将清洗好的钢基安装在爆炸喷涂设备上；

将所述钨钢混合粉送入至所述爆炸喷涂设备，利用所述爆炸喷涂设备将所述钨钢混合粉喷涂在所述钢基上以形成混合过渡层；

将形成有所述混合过渡层的钢基放置在等离子喷涂设备上；

将钨粉送入至所述等离子喷涂设备，利用所述等离子喷涂设备将所述钨粉喷涂在形成有混合过渡层的钢基以在所述混合过渡层形成钨涂层，进而在所述钢基上形成包层第一壁钨复合涂层。

在本发明的制备方法中，所述设计并制备钨钢混合粉，包括：

计算钨钢混合粉中的钢粉和钨粉的粉末径粒之比，根据计算的粉末径粒之比选用相应的钢粉和钨粉；

将钢粉和钨粉按照预设比例进行混合，采用相应粘结剂雾化造粒，制备形成钨钢混合粉。