铜基体上爆炸喷涂钨涂层及其电子束热负荷实验研究

1、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(中国科学院等离子体研究所,安徽合肥,230031 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 /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

2、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(200506-0033-02Detonation Gun Spraying Tungsten Coating on Copper Substrateand the Experimental Research of Electron Beam Heat FluxCHONG Fa-li ,CHEN Jun-ling ,LI Jian

3、-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 magnetic confinement fusion devices are requested to endure high heat flux.

4、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 temperature which is 5mm far from surface is about 70ºC ;specimens can

5、 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 thermal expansion coefficient and the Youngs Modulus between tungsten and cop

6、per 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 lower heat flux areas.Key words Detonation gun spraying ;Heat flux ;Plasm

7、a facing components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。0 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明了爆炸喷涂技术1。20世纪60年代前苏联乌克兰科学院材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、核工业等军事领域,现在逐渐向工业、能源领域发展2。爆炸喷涂是利用混合气体爆炸的能量将具有各种功能的粉末材料加热

8、并加速轰击到工件表面上,使之形成坚固涂层,喷涂时先将一定压力、比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,然后再通入氮气清理枪管3。爆炸喷涂与其它喷涂工艺相比有很多优点3-5第34卷 第6期表 面 技 术Vol.34 NO.6 2005年12月SURFACE TECHNOLOGY Dec.2005 =0.03mm1,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

9、径为2m的工件1。成功的涂层有WC-Co和陶瓷材料涂层、Cr3C 2 -NiCr6、Al2O3陶瓷梯度涂层7。磁约束核聚变面对等离子体材料要承受120MW/m2的热负荷8-9,耐热冲击性能是选择面对等离子体材料的重要要求。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10爆炸气体为乙炔和氢气,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。图1 爆炸喷涂装置

10、模型工件表面预处理: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Ra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0.5m3/min,工件表面切向速度与枪体水平移动速度的比为0.6,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

11、。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/m2。真空度小于10-2Pa,样品水冷通道直径d=10mm,进水温度为25,流量计显示为2m3/h,可以换算成水冷流速大约在7.1m/s。三组热电偶测温,热电偶布置如图2所示,距表面5mm,中心间距5mm,1#,2#,3#热电偶深度分别为14mm,15mm,14mm,热电偶孔

12、直径为2mm。图2 样品模型的剖面图(单位:mm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/m2,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/m2时(约300s温度快速上升,这说明缺陷已经形成,同时也导致附近的1#,2#热电偶(2#靠近3#的温度随之上升,当热通量升到6.97MW/m2时,温度急剧上升,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.

13、47MW/m2到4.03MW/m2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5.13M/m2时,温度一直是升高的,缺陷在逐渐扩大。当去掉热负荷时(约380s,远离缺陷的1#线温度降的最快。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 =3 结论对低钴贮氢合金MlNiMnCoCuFeSiCrB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Co0.3Mn0.3Al0.4Fe0.5-x Sn

14、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(NiCoMnAlFe5电化学性能的影响J.中国有色金属学报,2001,10(1:220-2223Li Ping.Research of low-Co AB5type rare-earth-based hydrogen stor-age alloy electrodesJ.Journal of Alloys and Compounds2003,354: 310-3144Guo Jin.Effect of Co and Mn on the electrochemical p

15、roperties ofLa0.7Mg0.3Ni2(Co+MnalloysJ.Journal of Alloys and Com-pounds,2005,390:301-3045尹树峰.低Co贮氢合金的研究进展J.稀有金属材料与工程,2004,33(9:913-9176孙春文.化学镀Ni-Co-P合金对Mm(NiCoAlMn5贮氢合金电极动力学性能的的研究J.中国稀土学报,2001,19(2:115-1207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(2:235-2399Choi

16、S J.An electroless copper plating method for Ti,Zr-based hydro-gen storage alloysJ.Journal of Alloys and Compounds,2003,356: 725-75910Chen Weixiang.Effects of surface treatments of MlNiCo0.6Al0.4hy-drogen storage alloy on the activation,charge/discharge cycle and deg-radation of Ni/MH batteriesJ.Jou

17、rnal of Power Sources,2001,92: 102-10711Yan Xiaoqi.The surface decoration and electrochemical hydrogen stor-age of carbon nanofibersJ.Chemical Physics Letters,2003,372: 336-34112Hu Wei Kang.Rare-earth-based AB5-type hydrogen storage alloys as hydrogen electrode catalysts in alkaline fuel cellsJ.Jour

18、nal of Al-loys and Compounds,2003,356:%734-737(上接第34页图5 1#热电偶采集的温度与疲劳次数之间的关系图5为1#热电偶在不同的热通量、不同脉冲时间的条件下的热疲劳实验。2MW/m2、20s脉冲经过300周的热疲劳,样品仍然完好;而在5MW/m2、虽然是2s脉冲,但也只能承受95周的热疲劳实验,而且温度达到170比2MW/m2时要高100。在较低的热负荷情况,样品表现出非常好的性能,这可能由于爆炸喷涂时W和Cu基体之间结合强度太高,而且两者膨胀系数相差太大,所以导致实验时热应力在界面处产生且很快达到屈服极限值,所以采用较厚的、膨胀系数和杨氏模量介

19、于两者之间的适配层效果可能更好。4 结束语爆炸喷涂法是Cu基体上制备W涂层的一种方法,能在大面积的基体材料上喷涂、且杂质含量少、与基体的结合强度高。磁约束核聚变反应时大量的热载荷和很高的能量粒子通量要沉积到面对等离子体材料上,所以对材料的耐热冲击性有很高的要求,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涂层能承受5MW/ m2、2s脉冲、95周热疲劳,且Cu基体的温度在200以下,而且在较低热通量下显示出更优越的性能,在2MW/m2、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