大气压等离子体喷涂钨涂层制备与性能优化研究

发布时间：2020-04-20 18:44

【摘要】：核聚变反应堆装置可用来约束核聚变反应中的高温的等离子体流,它的可行性决定聚变核电的可行性。聚变装置的面向等离子体材料(Plasma Facing Materials,PFMs)将直接面向反应堆中的高温等离子体。金属钨(W)被认为是比较有前景的PFMs候选材料之一。制造面向等离子体部件(Plasma Facing Component PFC)时最有效的方法之一是涂层技术。大气压等离子体喷涂技术(APS)具有操作简单,低成本、高效率等优点被应用于钨涂层的制造。本论文将使用大气压等离子体喷涂技术,在金属钼的基底上制备钨涂层。并对喷涂粒子的速度、温度和流量等参数进行实时监测。论文阐述了APS喷涂过程中喷涂粒子的氧化机理和孔隙形成机制,并以此设定实验方案,使用真空高温退火和氢气退火的手段,来降低APS-W涂层的含氧量和孔隙率,提高涂层质量。实验中对退火处理后的钨涂层的孔隙、含氧量、硬度等都进行了表征,并重点分析了高温退火对涂层孔隙率、含氧量的影响,及退火温度对涂层与钼基底交界面扩散层的厚度的影响。结果表明,1100℃-2100℃的真空高温退火后,涂层含氧量降低;涂层截面和表面的再结晶现象明显,柱状晶消失,晶粒粗化;涂层截面SEM图显示层与层之间出现明显的缝隙;涂层的孔隙率上升,中值孔径增大,硬度降低;真空高温退火之后可迅速提高钨钼扩散层的厚度。800℃的氢气退火可在较短的时间内降低涂层含氧量,而且基本不改变涂层的孔隙率和硬度。使用强流脉冲电子束装置模拟ELM(边缘局域模),对真空高温退火后的钨涂层进行了瞬态高能电子束的热负荷测试,结果显示了真空高温退火后的APS-W涂层抗热负荷和抗热冲击能力比较强。
【图文】：

1 等离子喷涂技术原理热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化和半熔化状态，并以一定积到经过预处理的基体表面，形成涂层的方法[51]，从而使零件被喷涂表面所需的具有特殊物理化学性能的涂层，以满足零件不同工作条件的要求[5等离子体喷涂技术是一种以非转移性等离子体弧为热源的热喷涂技术[51子体弧具有能量集中，温度高，燃烧稳定、气氛可控的特点。等离子体喷等离子喷枪产生等离子体焰流，喷枪的阴极(钨电极)和喷嘴(阳极)分别接源的负正极上，通过高频电源使极间气体引燃电弧，，所产生的电弧被工作气 N2）吹出枪口，产生高温高速的等离子体射流。在机械压缩效应、自磁压热压缩效应的联合作用下，电弧被压缩，形成非转移型等离子弧。图 1.2非转移型弧的温度分布，焰流中心温度可高达 15000K～32000K[51,52]。

图 1.3 常用等离子体喷枪示意图Fig. 1.3 Schematic diagram for plasma ejection gun.图 1.3 是常用等离子体喷枪示意图。等离子体喷涂形成涂层的过程可以总：喷涂材料的加热溶化阶段、雾化阶段、飞行阶段和碰撞沉积阶段[51,52]。粉末时，它通过载气的运输作用进入热源高温区，被加热至熔化或半熔化飞行并冲击基体材料表面，产生强烈碰撞，发生碰撞-变形-冷凝收缩的过相互交错叠加并粘合在一起，从而沉积形成涂层[51,52]。图 1.4 是等离子体喷意图。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL612

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本文编号：2634843