[发明专利]一种具有优异抗等离子体辐照性能的钨涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有优异抗等离子体辐照性能的钨涂层制备方法，包括：将预处理后RAFM钢与纯钨靶材安装在磁控溅射腔室内，将腔室内抽真空至2×10^‑4Pa，设定工作气压为2.0Pa，溅射功率为20‑60W，磁控溅射60min，得到具有优异抗等离子体辐照性能的钨涂层。本发明制备的不同表面形貌钨涂层表面均匀致密，物相结构为典型的BCC结构，涂层截面为致密的柱状晶结构。本发明具有特定表面组织形貌的“钨涂层+RAFM钢”结构具有良好的抗辐照性能，在高通量He离子条件下进行抗离子辐照性能的测试，分析了钨涂层的结构形貌在高He等离子体通量下的损伤行为，确定了针叶状结构的钨涂层优异的抗辐照性能和可用的辐照环境。

技术领域

本发明涉及面向等离子体材料技术领域，尤其涉及一种具有优异抗等离子体辐照性能的钨涂层及其制备方法。

背景技术

在聚变堆运行环境中，第一壁钨材料不仅受到大量的高能粒子(中子、H、He等)辐照，而且还要承受稳态热负荷达20MW/m²以及瞬间热冲击高达几GW/m²的热负荷，从而使得钨(W)表面产生塑性变形、溅射甚至融化，形成W粉尘进入等离子区，影响聚变堆的服役寿命。

故对于面向等离子体材料的要求极为苛刻，聚变堆用W材料可以分为2种：

(1)粉末冶金、轧制的W块体材料，利用激光焊或电子束焊将W块体焊接在结构材料上；然而该工艺目前尚不成熟，且钨具有较高的韧脆转变温度，机械加工困难，限制了其广泛的应用；

(2)通过各种沉积工艺在结构材料上(如铜合金、低活化钢等)涂覆W涂层来提高其综合性能。

而目前实现W与基体材料很好连接的工艺技术有气相沉积法、等离子喷涂法、以及熔盐电镀法。物理气相沉积(PVD)是通过加热蒸发等手段将材料源气化成气体分子或者电离成离子，从而在一定条件下沉积在基体上的一种镀膜技术。其主要方法有蒸发、溅射以及离子镀膜。

PVD方法适合高熔点、低蒸汽压金属薄膜的制备，其中磁控溅射法利用高能粒子轰击靶材表面，通过调节工艺参数可获得致密度高，与基材结合良好的W涂层，而且沉积温度低，制备的W涂层晶粒均匀细小(100nm)，已有研究表明纳米晶W可显著提高涂层抗等离子体辐照性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种具有优异抗等离子体辐照性能的钨涂层及其制备方法。本发明通过磁控溅射法沉积制备出具有不同表面形貌结构的W涂层，并提供了该涂层在高通量He等离子体辐照下的相关表面变化行为。

本发明提供一种磁控溅射法制备抗He离子辐照损伤优异的针叶状结构钨涂层，包括如下步骤：

步骤1：结构材料预处理

国产低活化CLAM钢经过淬火加回火的热处理工艺得到稳定的马氏体组织；将RAFM钢基体依次经过120#、240#、320#、400#、500#、600#碳化硅砂纸逐级打磨并抛光至镜面，超声清洗并烘干后得到表面光洁平整的RAFM钢试样。

步骤2：涂层的制备

将预处理后RAFM钢与纯度为99.95％纯钨靶材安装在磁控溅射腔室内，采用弱磁直流溅射靶进行纯钨涂层沉积溅射。在进行薄膜的沉积溅射前需将腔室内的本底真空抽至2×10^-4Pa，再设定工作气压为2.0Pa，溅射功率分别为20W、30W、40W、50W和60W，每组沉积功率变化下的样品均溅射60分钟。

由于不同的沉积参数下制备的钨涂层形貌及结构有所不同，故在此进行了溅射功率的梯度变化制备了不同形貌的钨涂层，继而对其抗He辐照性能的差异做了铺垫工作。本发明制备的不同表面形貌钨涂层表面均匀致密，物相结构为典型的BCC结构，涂层厚度为3微米，涂层截面为致密的柱状晶结构。

步骤3：不同表面形貌结构的钨涂层抗He离子辐照性能比较