铜基体上爆炸喷涂钨涂层及其电子束热负荷实验研究

1、表 面 技 术第34卷 第6期Vol. 34 NO. 6SURFACE TECHNOLOGY Dec. 2005 2005年12月=铜基体上爆炸喷涂钨涂层及其电子束热负荷实验研究种法力，陈俊凌，李建刚230031）（中国科学院等离子体研究所，安徽合肥，摘 要 详细介绍了爆炸喷涂法在铜基体上制备钨涂层。磁约束核聚变面对等离子体材料要求有承受较高热负荷的性能，电子束辐照热负荷实验发现：0. 3mm 的钨涂层可以承受5. 13MW /m 2的热通量；在2MW /m 2、20s 脉冲的条件下，样品能承受300周的疲劳而没出现破裂现象，且距离表面5mm 处铜基体的温度在70ºC左右；5MW /

2、m 2、2s 脉冲的条件下，样品可承受95周热疲劳，且距离表面5mm 处铜基体的温度不高于200ºC。钨铜的热膨胀系数和杨氏模量相差很大，在加载热通量过程中，界面处产生应力，这将影响材料的耐热冲击性能，但爆炸喷涂仍然为制备核聚变较低热通量区域面对等离子体材料的一种参考方法。关键词 爆炸喷涂；热通量；面对等离子体材料中图分类号TG 113. 2；TB34文献标识码A文章编号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世纪50年代初期，美国联合碳化物公司利德分公司发1明了爆炸喷涂技术。20世纪60年代前苏联乌克兰科学院材例的氧气和乙炔由进气口通入水冷喷枪内腔，然后由供粉口将粉末送入，接着火花塞点火，氧气和乙炔的混合气体燃烧并爆炸，产生高温（4200）高速（3000m /s ）气流，将粉末加热，并以7001500m /s 的高速喷涂到基体表面，形成涂层，然后再通3入氮气清理枪管。爆炸喷涂与其它喷涂工艺相比有很多优3

8、-5：1）爆炸喷涂时，由于粉末颗粒迅速被加热、加速，熔化粉点料研究所和焊接研究所开始研究爆炸喷涂技术，并研制出一系列的爆炸喷涂设备。1970年我国的航天部六二一所成功研制出爆炸喷涂设备。最初爆炸喷涂一直应用于航天、核工业等军2事领域，现在逐渐向工业、能源领域发展。爆炸喷涂是利用末对基体的撞击力大，所以涂层与基体结合强度高，涂层致密，孔隙率<2%。2）爆炸喷涂是脉冲式喷涂，热气流对工件表面作用时间短，因而工件的温升不高于200，不会造成工件变形和组织变化。3）爆炸喷涂每次喷涂形成的涂层厚度约为0. 005混合气体爆炸的能量将具有各种功能的粉末材料加热并加速轰击到工件表面上，使之形成坚固涂层

9、，喷涂时先将一定压力、比收稿日期2005-07-24基金项目国家自然科学基金资助项目（10475080）作者简介种法力（1978-），安徽合肥人，硕士研究生，主要从事核聚变等离子体与第一壁材料相互作用的研究。种法力等 铜基体上爆炸喷涂钨涂层及其电子束热负荷实验研究 =10. 03mm ，涂层均匀、厚度易控制。4）爆炸喷涂可自动化控制。刘松研究了爆炸喷涂枪体三维行走系统能喷涂最大直径为1。成功的涂层有WC-Co 和陶瓷材料涂层、Cr 3C 2-2m 的工件67、Al 2O 3陶瓷梯度涂层。磁约束核聚变面对等离子体材NiCr8-9料要承受120MW /m 2的热负荷，耐热冲击性能是选择面对等离子体

10、材料的重要要求。从为核聚变选择面对等离子体材料的角度出发研究了Cu 基体上爆炸喷涂W 涂层及其在电子束热负荷实验中的性能。1 喷涂实验材料与方法材料选择：选择30mm ×30mm Cu 基体，钨粉平均粒度为8µm ，60µm 的Ni-Si-Al 作为适配层气，氮气为保护气体。步骤：表面预处理、工件预热、喷涂、喷涂后处理。实验装置如图1。10图2 样品模型的剖面图（单位：mm ）爆炸气体为乙炔和氢图3为热冲击实验电子束流和热通量随时间的关系，图4为与图3相对应的3组热电偶采集到的基体Cu 的温度。由于3组热电偶在同一水平面上，在热通量较低时（<2. 75MW

11、/m 2，约120s ）温度基本保持一致，说明样品的结构在不同位置基本一致，没有大的明显的缺陷，同时也说明水冷效果很好。但3#热电偶在热通量为5. 13MW /m 2时（约300s ）温度快速上升，这2#热电偶（2#靠近说明缺陷已经形成，同时也导致附近的1#，3#）的温度随之上升，当热通量升到6. 97MW /m 2时，温度急剧图1 爆炸喷涂装置模型上升，可以看出缺陷开始扩展，导致传热受阻。从温度分布图还可以看出，当热通量在1. 47MW /m 2到4. 03MW /m 2之间某值恒定时，温度分布在这段时间内也相对平稳；但当热通量达到温度一直是升高的，缺陷在逐渐扩大。当去掉热5. 13M /m

12、 2时，负荷时（约380s ），远离缺陷的1#线温度降的最快。工件表面预处理：本实验采用抛光和喷砂处理，喷砂介质为碳化硅（SiC ），粒度为3045号砂，喷砂压力为0. 30. 4MPa ，表面粗糙度R a 为812µm 。工件预热：为了消除Cu 表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度，提高涂层与基体的结合强度，减少因W 与Cu 热膨胀系数和杨氏模量差异引发的应力而使涂层开裂，预热温度200、3h 。喷涂：喷涂参数为：爆炸频率每秒5次，乙炔与氧气的体积比为2：3，喷涂距离为120mm ，送粉气流量为0. 5m 3/min ，工件表面切向速度与枪体水平移动速度的比为0.

13、6，涂层厚度为0. 3mm 。涂层后处理：对涂层进行热等静压处理，增强W 、Cu 结合强度和涂层密度。2 电子束辐照热负荷实验结果与分析实验平台：面对等离子体材料高热负荷实验平台。实验参数设定：爆炸喷涂涂层在急骤水冷条件下用电子束辐照，实验过程中电子加速电压恒定11keV ，通过调节电流获得电子束辐照热通量，本实验辐照面积为20mm ×30mm ，辐照热通量分别为1. 47、2. 75、4. 03、5. 13和6. 97MW /m 2。真空度小于10-2Pa ，样品水冷通道直径d =10mm ，进水温度为25，可以换算成水冷流速大约在7. 1m /s 。流量计显示为2m 3/h ，三

14、组热电偶测温，热电偶布置如图2所示，距表面5mm ，中心间距5mm ，2#，3#热电偶深度分别为14mm ，15mm ，14mm ，热1#，电偶孔直径为2mm 。图3 电子束流与热通量随时间的变化关系图4 热电偶采集温度随时间的关系（下转第37页）表 面 技 术第34卷 第6期Vol. 34 NO. 6SURFACE TECHNOLOGY Dec. 2005 2005年12月=5 尹树峰. 低Co 贮氢合金的研究进展J . 稀有金属材料与工程，3 结论对低钴贮氢合金MlNi 3. 55Al 0. 3Mn 0. 3Co 0. 24Cu 0. 2Fe 0. 05Si 0. 1Cr 0. 15Zn

15、0. 1B 0. 01进行表面镀镍处理，能显著提高合金的循环稳定性、高倍率放电性能和电化学容量。同时由于镀镍对活化性能的双重影响使得合金活化性能无显著提高。参考文献1 魏范松. 低Co 贮氢合金ReNi 3. 5Co 0. 3Mn 0. 3Al 0. 4Fe 0. 5-x Sn （x x =04）相结构和电化学性能J . 材料科学与工程学报，2003，21（3）：323-3262 马志鸿. 热处理对低Co 贮氢合金Ml （NiCoMnAlFe ）5电化学性能的影响J . 中国有色金属学报，2001，10（1）：220-2223 Li Ping. Research of low-Co AB 5t

16、ype rare-earth-based hydrogen stor-age alloy electrodes J . Journal of Alloys and Compounds 2003，354：310-3144 Guo Jin. Effect of Co and Mn on the electrochemical properties ofLa 0. 7Mg 0. 3Ni 2（Co +Mn ）alloys J . Journal of Alloys and Com-pounds ，2005，390：301-3042004，33（9）：913-9176 孙春文. 化学镀Ni-Co-P 合

17、金对Mm （NiCoAlMn ）5贮氢合金电极动. 中国稀土学报，2001，19（2）：115-120力学性能的的研究J 7 夏同驰. 贮氢合金表面镀铜及其稳定性的研究J . 电池，2002，32（4）：214-2168 夏同驰. 微包覆钴贮氢合金电极电化学性能的研究J . 电化学，2004，10（2）：235-2399 Choi S J. An electroless copper plating method for Ti ，Zr-based hydro-gen storage alloys J . Journal of Alloys and Compounds ，2003，356：725

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

19、 of carbon nanofibers J . Chemical Physics Letters ，2003，372：336-34112Hu Wei Kang. Rare-earth-based AB 5-type hydrogen storage alloys ashydrogen electrode catalysts in alkaline fuel cells J . Journal of Al-734-737loys and Compounds ，2003，356：%（上接第34页）要求，爆炸喷涂W 涂层与基体Cu 有较高的结合力、能耐一定负荷的热冲击、有较高的热导率，实验发现W

20、 涂层能承受5MW /2s 脉冲、95周热疲劳，且Cu 基体的温度在200以下，而m 2、且在较低热通量下显示出更优越的性能，在2MW /m 2、20s 脉冲、300周疲劳，样品没任何损伤痕迹，且Cu 基体温度在100以下。爆炸喷涂是制备核聚变面对等离子体材料的一种参考方法。参考文献1 刘松. 爆炸喷涂技术及应用J . 焊接，1997，20（9）：2-52龙彦辉. 爆炸喷涂工艺制备碳化铬涂层J . 表面技术，2002，31（2）：18-19图5 1热电偶采集的温度与疲劳次数之间的关系#3许磊，张春华，张松，等. 爆炸喷涂研究的现状及趋势J . 金属热处理，2004，29（2）：21-244胡社

21、军，黎炳雄编译. 气体爆炸喷涂技术及其应用J . 国外金属热处理，1995，11，16（4）：2-45吴和元，闵小兵，孙金贵，等. 爆炸喷涂技术的现状和应用J . 湖南冶金，2002. 11（6）：3-66王俊，张立，李克，等. 爆炸喷涂CrC -NiCr 涂层及其在连铸辊上的应用J . 上海交通大学学报，2000，34（8）：1018-10217卢国辉，曾鹏，黄惠平，等. 爆炸喷涂Al 2O 3陶瓷梯度涂层的组织与性能J . 材料工程，2000，（4）：30-338 Pintsuk G ，Brunings S E et al. Development of W /Cu-functionallygraded materials