銅基體上爆炸噴涂鎢涂層及其電子束熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)研究

1、表 面 技 術(shù)第34卷 第6期Vol. 34 NO. 6SURFACE TECHNOLOGY Dec. 2005 2005年12月=銅基體上爆炸噴涂鎢涂層及其電子束熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)研究種法力，陳俊凌，李建剛230031）（中國(guó)科學(xué)院等離子體研究所，安徽合肥，摘 要 詳細(xì)介紹了爆炸噴涂法在銅基體上制備鎢涂層。磁約束核聚變面對(duì)等離子體材料要求有承受較高熱負(fù)荷的性能，電子束輻照熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：0. 3mm 的鎢涂層可以承受5. 13MW /m 2的熱通量；在2MW /m 2、20s 脈沖的條件下，樣品能承受300周的疲勞而沒出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，且距離表面5mm 處銅基體的溫度在70ºC左右；5MW /

2、m 2、2s 脈沖的條件下，樣品可承受95周熱疲勞，且距離表面5mm 處銅基體的溫度不高于200ºC。鎢銅的熱膨脹系數(shù)和楊氏模量相差很大，在加載熱通量過程中，界面處產(chǎn)生應(yīng)力，這將影響材料的耐熱沖擊性能，但爆炸噴涂仍然為制備核聚變較低熱通量區(qū)域面對(duì)等離子體材料的一種參考方法。關(guān)鍵詞 爆炸噴涂；熱通量；面對(duì)等離子體材料中圖分類號(hào)TG 113. 2；TB34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1001-3660（2005）06-0033-02Detonation Gun Spraying Tungsten Coating on Copper Substrateand the Experimental Re

3、search of Electron Beam Heat FluxCHONG Fa-li ，CHEN Jun-ling ，LI Jian-gang（Institute of Plasma Physics ，Chinese Academic of Sciences ，Hefei 230031，China ）Abstract The fabrication method of tungsten coating on copper substrate by detonation gun spraying is introduced. Plasma facing components in magne

4、tic confinement fusion devices are requested to endure high heat flux. Electron beam radiation experiment finds out ：specimens properties of 0. 3mm tungsten coating are good below the heat flux of 5. 13MW /m 2；specimens dont fail enduring 2MW /m 2，20s ，300cycles thermal fatigue ，and the substrate te

5、mperature which is 5mm far from surface is about 70ºC；specimens can endure 95cycles ther-mal fatigue in the experimental parameters of 5MW /m 2heat flux ，2s pulses ，and the substrate temperature is be-low 200.Specimens properties will be influenced in relatively high heat flux because the therm

6、al expansion coefficient and the Youngs Modulus between tungsten and copper are very different ，and the mismatches lead to thermal stresses in the interface during the process of loading heat fluxes. But detonation gun spraying is a meth-od of magnetic confinement fusion plasma facing components in

7、lower heat flux areas.Key words Detonation gun spraying ；Heat flux ；Plasma facing components0 引 言20世紀(jì)50年代初期，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司利德分公司發(fā)1明了爆炸噴涂技術(shù)。20世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)烏克蘭科學(xué)院材例的氧氣和乙炔由進(jìn)氣口通入水冷噴槍內(nèi)腔，然后由供粉口將粉末送入，接著火花塞點(diǎn)火，氧氣和乙炔的混合氣體燃燒并爆炸，產(chǎn)生高溫（4200）高速（3000m /s ）氣流，將粉末加熱，并以7001500m /s 的高速噴涂到基體表面，形成涂層，然后再通3入氮?dú)馇謇順尮?。爆炸噴涂與其它噴涂工藝相比有很多優(yōu)3

8、-5：1）爆炸噴涂時(shí)，由于粉末顆粒迅速被加熱、加速，熔化粉點(diǎn)料研究所和焊接研究所開始研究爆炸噴涂技術(shù)，并研制出一系列的爆炸噴涂設(shè)備。1970年我國(guó)的航天部六二一所成功研制出爆炸噴涂設(shè)備。最初爆炸噴涂一直應(yīng)用于航天、核工業(yè)等軍2事領(lǐng)域，現(xiàn)在逐漸向工業(yè)、能源領(lǐng)域發(fā)展。爆炸噴涂是利用末對(duì)基體的撞擊力大，所以涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，涂層致密，孔隙率<2%。2）爆炸噴涂是脈沖式噴涂，熱氣流對(duì)工件表面作用時(shí)間短，因而工件的溫升不高于200，不會(huì)造成工件變形和組織變化。3）爆炸噴涂每次噴涂形成的涂層厚度約為0. 005混合氣體爆炸的能量將具有各種功能的粉末材料加熱并加速轟擊到工件表面上，使之形成堅(jiān)固涂層

9、，噴涂時(shí)先將一定壓力、比收稿日期2005-07-24基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10475080）作者簡(jiǎn)介種法力（1978-），安徽合肥人，碩士研究生，主要從事核聚變等離子體與第一壁材料相互作用的研究。種法力等 銅基體上爆炸噴涂鎢涂層及其電子束熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)研究 =10. 03mm ，涂層均勻、厚度易控制。4）爆炸噴涂可自動(dòng)化控制。劉松研究了爆炸噴涂槍體三維行走系統(tǒng)能噴涂最大直徑為1。成功的涂層有WC-Co 和陶瓷材料涂層、Cr 3C 2-2m 的工件67、Al 2O 3陶瓷梯度涂層。磁約束核聚變面對(duì)等離子體材NiCr8-9料要承受120MW /m 2的熱負(fù)荷，耐熱沖擊性能是選擇面對(duì)等離子體

10、材料的重要要求。從為核聚變選擇面對(duì)等離子體材料的角度出發(fā)研究了Cu 基體上爆炸噴涂W 涂層及其在電子束熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)中的性能。1 噴涂實(shí)驗(yàn)材料與方法材料選擇：選擇30mm ×30mm Cu 基體，鎢粉平均粒度為8µm ，60µm 的Ni-Si-Al 作為適配層氣，氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣體。步驟：表面預(yù)處理、工件預(yù)熱、噴涂、噴涂后處理。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。10圖2 樣品模型的剖面圖（單位：mm ）爆炸氣體為乙炔和氫圖3為熱沖擊實(shí)驗(yàn)電子束流和熱通量隨時(shí)間的關(guān)系，圖4為與圖3相對(duì)應(yīng)的3組熱電偶采集到的基體Cu 的溫度。由于3組熱電偶在同一水平面上，在熱通量較低時(shí)（<2. 75MW

11、/m 2，約120s ）溫度基本保持一致，說明樣品的結(jié)構(gòu)在不同位置基本一致，沒有大的明顯的缺陷，同時(shí)也說明水冷效果很好。但3#熱電偶在熱通量為5. 13MW /m 2時(shí)（約300s ）溫度快速上升，這2#熱電偶（2#靠近說明缺陷已經(jīng)形成，同時(shí)也導(dǎo)致附近的1#，3#）的溫度隨之上升，當(dāng)熱通量升到6. 97MW /m 2時(shí)，溫度急劇圖1 爆炸噴涂裝置模型上升，可以看出缺陷開始擴(kuò)展，導(dǎo)致傳熱受阻。從溫度分布圖還可以看出，當(dāng)熱通量在1. 47MW /m 2到4. 03MW /m 2之間某值恒定時(shí)，溫度分布在這段時(shí)間內(nèi)也相對(duì)平穩(wěn)；但當(dāng)熱通量達(dá)到溫度一直是升高的，缺陷在逐漸擴(kuò)大。當(dāng)去掉熱5. 13M /m

12、 2時(shí)，負(fù)荷時(shí)（約380s ），遠(yuǎn)離缺陷的1#線溫度降的最快。工件表面預(yù)處理：本實(shí)驗(yàn)采用拋光和噴砂處理，噴砂介質(zhì)為碳化硅（SiC ），粒度為3045號(hào)砂，噴砂壓力為0. 30. 4MPa ，表面粗糙度R a 為812µm 。工件預(yù)熱：為了消除Cu 表面的水分和濕氣，提高噴涂粒子與工件接觸時(shí)的界面溫度，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，減少因W 與Cu 熱膨脹系數(shù)和楊氏模量差異引發(fā)的應(yīng)力而使涂層開裂，預(yù)熱溫度200、3h 。噴涂：噴涂參數(shù)為：爆炸頻率每秒5次，乙炔與氧氣的體積比為2：3，噴涂距離為120mm ，送粉氣流量為0. 5m 3/min ，工件表面切向速度與槍體水平移動(dòng)速度的比為0.

13、6，涂層厚度為0. 3mm 。涂層后處理：對(duì)涂層進(jìn)行熱等靜壓處理，增強(qiáng)W 、Cu 結(jié)合強(qiáng)度和涂層密度。2 電子束輻照熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：面對(duì)等離子體材料高熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定：爆炸噴涂涂層在急驟水冷條件下用電子束輻照，實(shí)驗(yàn)過程中電子加速電壓恒定11keV ，通過調(diào)節(jié)電流獲得電子束輻照熱通量，本實(shí)驗(yàn)輻照面積為20mm ×30mm ，輻照熱通量分別為1. 47、2. 75、4. 03、5. 13和6. 97MW /m 2。真空度小于10-2Pa ，樣品水冷通道直徑d =10mm ，進(jìn)水溫度為25，可以換算成水冷流速大約在7. 1m /s 。流量計(jì)顯示為2m 3/h ，三

14、組熱電偶測(cè)溫，熱電偶布置如圖2所示，距表面5mm ，中心間距5mm ，2#，3#熱電偶深度分別為14mm ，15mm ，14mm ，熱1#，電偶孔直徑為2mm 。圖3 電子束流與熱通量隨時(shí)間的變化關(guān)系圖4 熱電偶采集溫度隨時(shí)間的關(guān)系（下轉(zhuǎn)第37頁(yè)）表 面 技 術(shù)第34卷 第6期Vol. 34 NO. 6SURFACE TECHNOLOGY Dec. 2005 2005年12月=5 尹樹峰. 低Co 貯氫合金的研究進(jìn)展J . 稀有金屬材料與工程，3 結(jié)論對(duì)低鈷貯氫合金MlNi 3. 55Al 0. 3Mn 0. 3Co 0. 24Cu 0. 2Fe 0. 05Si 0. 1Cr 0. 15Zn

15、0. 1B 0. 01進(jìn)行表面鍍鎳處理，能顯著提高合金的循環(huán)穩(wěn)定性、高倍率放電性能和電化學(xué)容量。同時(shí)由于鍍鎳對(duì)活化性能的雙重影響使得合金活化性能無顯著提高。參考文獻(xiàn)1 魏范松. 低Co 貯氫合金ReNi 3. 5Co 0. 3Mn 0. 3Al 0. 4Fe 0. 5-x Sn （x x =04）相結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能J . 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，21（3）：323-3262 馬志鴻. 熱處理對(duì)低Co 貯氫合金Ml （NiCoMnAlFe ）5電化學(xué)性能的影響J . 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2001，10（1）：220-2223 Li Ping. Research of low-Co AB 5t

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18、-75910Chen Weixiang. Effects of surface treatments of MlNi 4. 0Co 0. 6Al 0. 4hy-drogen storage alloy on the activation ，charge /discharge cycle and deg-. Journal of Power Sources ，2001，92：radation of Ni /MH batteries J 102-10711Yan Xiaoqi. The surface decoration and electrochemical hydrogen stor-age

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20、 涂層能承受5MW /2s 脈沖、95周熱疲勞，且Cu 基體的溫度在200以下，而m 2、且在較低熱通量下顯示出更優(yōu)越的性能，在2MW /m 2、20s 脈沖、300周疲勞，樣品沒任何損傷痕跡，且Cu 基體溫度在100以下。爆炸噴涂是制備核聚變面對(duì)等離子體材料的一種參考方法。參考文獻(xiàn)1 劉松. 爆炸噴涂技術(shù)及應(yīng)用J . 焊接，1997，20（9）：2-52龍彥輝. 爆炸噴涂工藝制備碳化鉻涂層J . 表面技術(shù)，2002，31（2）：18-19圖5 1熱電偶采集的溫度與疲勞次數(shù)之間的關(guān)系#3許磊，張春華，張松，等. 爆炸噴涂研究的現(xiàn)狀及趨勢(shì)J . 金屬熱處理，2004，29（2）：21-244胡社

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