專利名稱：一種用作聚變堆偏濾器部件的鎢/銅梯度材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用作聚變堆偏濾器部件的功能梯度材料。
目前聚變研究的國際項目主要是托卡馬克，該裝置采用10-12特斯拉的強磁場約束等離子體。托卡馬克聚變堆的主要部件有(1)第一壁，它構(gòu)成等離子體室；(2)偏濾器系統(tǒng)，它從D-T(氘-氚)反應(yīng)中取出氦；(3)包殼系統(tǒng)，它將聚變能轉(zhuǎn)換成熱能，同時增殖燃料循環(huán)中所需的氚；(4)其它如磁場屏蔽、容器結(jié)構(gòu)及燃料和等離子體輔助熱源系統(tǒng)等。其中，第一壁和偏濾器是直接面向等離子體的材料。與第一壁相比，偏濾器收集板將承受更高的熱和粒子通量。預(yù)期第一壁工作時表面熱通量為0.1-1.0MW/m2，而偏濾器頂表面的熱量通量為3-30MW/m2。
面向等離子體材料(Plasma Facing Material，PFM)是決定聚變能能否開發(fā)成功的關(guān)鍵材料。在發(fā)生等離子體破裂和垂直位移事件時，暴露于高熱流的PFM表面承受來自高溫等離子體、高能中子、α粒子、氘、氚及電磁輻射等的沖刷，而它的另一面必須被強制冷卻。因此PFM必須具備很高的熔點，同時應(yīng)具有很好的抗熱沖擊性能。在具有高濺射閾值的所有候選材料當(dāng)中，金屬鎢由于其高的抗等離子體沖刷能力，最有希望用于聚變堆中等離子體與元件相互作用區(qū)域的裝甲材料。將一面具有高熔點及高溫強度的金屬鎢和另一面具有優(yōu)良導(dǎo)熱性及室溫塑性的金屬銅結(jié)合在一起的新型復(fù)合材料將十分適合作為核聚變裝置中的偏濾器材料。
但要將W和Cu這兩種性質(zhì)相差很大的金屬(如表1所示)結(jié)合在一起作為PFM會遇到很大困難。
Seki等[Fusion Engineering and Design，1991，1559-74]報道用焊接方法將W和Cu焊接在一起，在22-29MW/m2，1秒x360次的電子束熱沖擊下，材料界面出現(xiàn)熔化脫落現(xiàn)象；預(yù)先經(jīng)過去掉銅塊角邊緣以減少剪應(yīng)力的W/Cu焊接材料也出現(xiàn)了界面貫穿裂紋。
Vieider等[Fusion Technol.(1997)275]報道用活性金屬鑄造以及電子束焊接W-Cu材料，在16MW/m2熱沖擊約1000次無破壞，但在20MW/m2熱沖擊時界面脫落失效。
Sato等[Proc.12thTopical Meet.Technology of Fusion Energy，1996，pp.769-773]和Boscary等[Fusion Engineering and Design，1998，39-40537-542]用CVD(化學(xué)氣相沉積)方法在無氧銅和W-30Cu基體上沉積2mm厚的W層。在無氧銅上涂層的材料在5MW/m2下可以承受1000次熱沖擊；而在W-30Cu基體上涂層的材料可承受22MW/m2熱量密度，10秒的熱沖擊，這是因為涂層與基體的熱膨脹系數(shù)相差得較小的緣故。
Riccardi等[Proceedings of 17thIEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering，SOFE97，October 1997，San Diedgo，CA，USA.]報道用等離子體在金屬銅上噴涂5mm厚的W層，這種材料在2-4MW/m2下沖擊1200次無失效。
上述材料均是在基體上直接涂敷金屬W，其缺點是往往二者的熱膨脹系數(shù)失配，造成在制備和服役過程中W-Cu的界面上產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，進而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生以及材料的失效。
一種能有效緩和熱應(yīng)力的梯度材料的設(shè)計概念于1983～1984年由日本學(xué)者首先提出的，它是在兩種材料之間通過成分和結(jié)構(gòu)逐漸變化(使熱膨脹系數(shù)逐漸減小)，目的是開發(fā)能在高溫環(huán)境下使用的具有緩和熱應(yīng)力功能的特殊耐熱材料。
表1 W和Cu材料室溫下的主要物理性質(zhì)材密度熔點熱膨脹熱導(dǎo)率彈性硬度電阻率 抗拉泊松料Kg/m3(K) 系數(shù) (W/m·K) 模量(HB)(x10-6Ω·m) 強度比(10-6/K) (Gpa) (MPa)鎢19300 36734.5 145 410300-400550 19200.28銅8900135617 400 85 50 1.72314 0.33Takahashi等[Int.J.of Refractory Metals & Hard Materials，12(1993-1994)243-250]用先造骨架后滲金屬的方法制備高熔點差的W/Cu(鎢/銅)梯度材料。首先用不同粒度的金屬W粉末疊層冷壓，在2073K及98MPa的氫氣氛下燒結(jié)8小時獲得W骨架，然后在2073K及196MPa下熱等靜壓3小時以消除骨架中的閉孔，再后在1473K滲銅得到W/Cu梯度材料。Itoh等[Fusion Engineering andDesign，1996，31279-289]用類似方法在2043K及0.1MPa的氫氣氛下燒結(jié)8小時獲得W骨架，然后在2073K及181MPa的氬氣下熱等靜壓3小時以消除骨架中的閉孔，最后在1373K滲銅2小時，得到6層W/Cu梯度材料。他們均報道制備的W/Cu梯度材料能承受15MW/m2的熱沖擊，但沒有報道次數(shù)。
骨架滲銅法的缺點是(1)需使用不同顆粒的W粉；(2)難以獲得連續(xù)的梯度孔隙從而難以獲得連續(xù)成分變化的梯度材料；(3)工序長、成本高。
為了獲得合適的骨架孔隙分布，Jedamzik等[14thInternational PlanseeSeminar’97 vol.1Metallic High Temperature Materials.Trol Austria 12-16 May1997；Materials Science Forum 1999，308-311782-786]提出用電化學(xué)方法制備W骨架，首先是將W燒結(jié)成具有一定孔隙的W板，然后通過控制電流密度、電解液電導(dǎo)率和電解時間等因素，由于不同陽極位置放電電位的不同而獲得不同孔隙分布的W骨架，然后再用滲銅方法獲得W/Cu梯度材料。由此可見，該方法仍有工藝復(fù)雜，流程長及制造成本高的缺點，而且所制得材料的抗熱沖擊性能尚未表征。
李江濤等[一種具有遞變電阻及高熔點差材料的制備工藝，專利申請?zhí)?0121189.7]根據(jù)W和Cu具有明顯的電阻率差別的特點，提出了在3000-5000MPa的超高壓條件下通電快速燒結(jié)W/Cu功能梯度材料的制備工藝，材料的致密度達到96％。但沒有報道材料的抗熱沖擊和等離子體輻照性能。
總結(jié)以上各種不同方法制備的W/Cu材料，可以發(fā)現(xiàn)其作為用于聚變堆偏濾器部件存在的幾個問題(1)W與Cu直接連接(焊接、CVD或噴涂)，由于二者熱膨脹系數(shù)相差大，在高熱負荷條件下，難以避免在其界面上形成的熱應(yīng)力破壞；(2)骨架滲銅獲得的材料難以獲得理想的成分設(shè)計梯度，而且制備復(fù)雜、成本高；(3)更為重要的是，上述材料報道的W/Cu材料的最好抗熱沖擊性能均小于30MW/m2，尚未滿足偏濾器工作表面的熱流沉積條件，在發(fā)生等離子體破裂事故時尤為如此。另外(4)這些材料尚未進行托卡馬克裝置原位等離子體輻照試驗。
本發(fā)明的目的在于根據(jù)用作核聚變堆偏濾器部件的工作特點及性能要求，采用梯度材料的設(shè)計概念，制備滿足偏濾器使用條件的W/Cu材料。分別采用兩種已有方法制造，其一是在超高壓下通電快速燒結(jié)法制備；其二是用等離子體噴涂法制備。這兩種方法制備出來的梯度材料的特點是能承受100MW/m2的激光熱沖擊；在托卡馬克中原位等離子體輻照下無明顯濺射損傷。
本發(fā)明的構(gòu)成。
1、超高壓通電快速燒結(jié)法制備W/Cu梯度材料材料設(shè)計W/Cu梯度材料的兩端分別是W及Cu合金。梯度層中W的體積分布按公式 計算。其中C是任意梯度層中W的體積百分?jǐn)?shù)，x是相應(yīng)梯度層的位置，d為梯度層厚度，p是成分分布指數(shù)。對于不同的p值，將有不同的成分分布規(guī)律，在本發(fā)明中p值范圍為0.6-1.8；金屬W層的厚度為1-4mm，金屬Cu的厚度為1-2mm；中間過渡層的層數(shù)為1-8層。
材料成分為了提高W-Cu間的結(jié)合強度，在金屬銅中加入5-10重量百分比的相粘結(jié)劑，這些粘接劑是Ni、Zr、V、Ti和Cr。這些相粘結(jié)劑先與銅粉混合研磨均勻，然后與根據(jù)材料設(shè)計要求配比的W粉混合配制成梯度過渡層。上述材料的顆粒尺寸要求過200目標(biāo)準(zhǔn)泰勒篩(-0.074mm)，混合研磨過程中在隔離空氣或在惰性氣氛下進行，用機械合金磨則更好。
材料制備包括混合粉末疊層、冷壓成型及通電燒結(jié)，具體過程參見已有技術(shù)說明[李江濤等，一種具有遞變電阻及高熔點差材料的制備工藝，專利申請?zhí)?0121189.7]。
2、等離子體噴涂制備W/Cu梯度材料為了緩和純W層與純Cu層由于熱膨脹系數(shù)相差很大造成的熱應(yīng)力，本工藝與已有的直接在Cu基體上直接等離子體噴涂W工藝不同的是在Cu基體上先噴涂Cu底層，然后噴涂含有W和Cu二者成分的過渡層。通過調(diào)節(jié)不同的輸入功率、主/輔氣流量、送粉量等因素實現(xiàn)最優(yōu)化涂敷。等離子體噴涂W/Cu梯度材料由以下部分組成基底噴砂用剛玉砂刷除銅板表面的氧化層；打底在噴砂后的銅板表面噴涂0.1-0.5mm純銅層，或添加了5-10％重量比的Ni、Zr、V、Ti、Cr的銅基合金；噴涂過渡層1-5層，每層成分按發(fā)明構(gòu)成1的材料設(shè)計公式計算，厚度在0.5-2mm。過渡層的噴涂功率隨W含量的增加而逐步提高；噴W層在最后過渡層噴涂0.5-2mm的純W層。
本發(fā)明構(gòu)成是在已有技術(shù)或不改變主體等離子體噴涂設(shè)備的基礎(chǔ)上，只通過配制用作過渡層的不同成分的復(fù)合粉體及不同的噴涂工藝條件，采用連續(xù)噴涂或有惰性氣體保護下間歇噴涂，就能達到材料成分梯度過渡，從而達到緩和熱應(yīng)力的目的。如果在等離子體設(shè)備中能引入多個送粉器，噴涂工藝能用計算機自動控制，就可以實現(xiàn)梯度材料成分的連續(xù)變化，獲得更好的熱應(yīng)力緩和效果。
本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)通過對材料梯度設(shè)計，使材料的成分和結(jié)構(gòu)從W層到Cu層逐漸過渡從而材料的熱膨脹系數(shù)逐漸減少，確保材料在熱沖擊下具有良好的熱應(yīng)力緩和效果，可以避免材料在制備或服役過程中由于熱循環(huán)負荷而出現(xiàn)裂紋、剝落等失效現(xiàn)象。(2)采用粉末冶金和等離子體噴涂兩種簡單、實用的技術(shù)可以有效地制造大尺寸塊體材料或?qū)Σ牧线M行原位噴涂修復(fù)；具有工藝簡單、高效，成本低的特點。(3)制備出來的W/Cu功能梯度材料性能好，能承受100MW/m2的熱沖擊，在等離子體原位輻照條件下材料無明顯濺射損傷；材料的上述兩項性能已達到了實用化要求。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
附

圖1是用超高壓快速燒結(jié)得到的6層W/Cu-10wt％Ni功能梯度材料放大50倍的背散射像，從左到右是純W層到Cu-10wt％Ni合金層，從中可見W的成分是逐漸過渡的。
附圖2是附圖1的不同W含量層的放大2000倍的背散射照片。其中(a)是100％W層的照片；(b)是含80％體積百分比W層的照片；(c)是含60％體積百分比W層的照片；(d)是含40％體積百分比W層的照片；(e)是含20％體積百分比W層的照片；(f)是含0％體積百分比W層的照片；從附圖2(a)-(f)的背散射放大像可以更清楚看出，W/Cu功能梯度材料的成分和結(jié)構(gòu)從W到Cu是逐漸變化過渡的。
實施例1將W/Cu梯度材料的設(shè)計成分按100％、80％、60％、40％、20％、0％體積比的W與銅配制成6層梯度材料，每層厚1mm。在金屬銅粉中添加10％重量比的金屬鎳作相粘結(jié)劑。W-Cu-Ni粉末混合均勻后球磨8小時，然后在鋼模中疊層，用千斤頂壓制成φ20×(9-10)mm的梯度材料生坯。參見已有技術(shù)說明[李江濤等，一種具有遞變電阻及高熔點差材料的制備工藝，專利申請?zhí)?0121189.7]，將梯度材料生坯與葉臘石、石墨片及鋼片裝配成樣品組合；施加準(zhǔn)等靜壓，壓力為5000MPa；通入交流電(6.8V，1900A)50秒鐘，W/Cu梯度材料的燒結(jié)相密度為96.3％。制備的W/Cu材料的顯微組織照片如附圖所示。
實施例2在5mm厚的銅板上噴砂處理后，先在基底上噴涂一層純銅底層，然后噴上一層50vol％W+50vol％Cu的過渡層，最后噴涂0.5mm的純W層。具體工藝參數(shù)如表2所示。
表2噴涂參數(shù)及涂層厚度設(shè)備型號瑞典造PT-A-3000S型等離子噴涂設(shè)備噴涂參數(shù)主氣流量 輔氣流量 噴涂功率 送粉量 噴涂距離 涂層厚度(Ar)(H2) (Kw) (g/min) (cm) (μm)Cu底層40 5 1320 10-12 100W/Cu過渡層50 5 3020 10-12 500W面層 45 6 34.8 20 10-12 550噴涂條件大氣環(huán)境； 銅基體厚度5mm； 過渡層50vol％W+50vol％Cu材料性能測試熱沖擊試驗采用摻Nd YAG激光器，脈沖頻率10HZ，波長1.06μm，功率在0-800MW/m2可調(diào)。檢查經(jīng)過沖擊多次下材料界面和表面的損傷情況；輻照實驗在中國環(huán)流器新一號HL-1M托卡馬克核聚變實驗裝置上進行，66次放電輻照，放電參數(shù)縱場2T，環(huán)流120-200KA，等離子體平均存在時間1.2秒，線平均電子密度1-1.4×1013cm-3，邊緣電子密度(2-4)×1012cm-3，邊緣電子溫度100-200ev.用X射線及電子顯微鏡分析輻照后的樣品表面損傷情況。
測試結(jié)果在123MW/m2的激光熱沖擊下，等離子噴涂W/Cu梯度材料到200次，無損傷；到350次時，由于無惰性氣氛保護，在材料表面出現(xiàn)氧化層剝落現(xiàn)象；到700次時，由于氧化嚴(yán)重，在W晶界出現(xiàn)疲勞裂紋。而超高壓通電快速燒結(jié)的W/Cu梯度材料，在398MW/m2的激光熱沖擊到300次，才在束斑出現(xiàn)裂紋。權(quán)威檢測部門核工業(yè)西南物理研究院認為，上述材料可承受在聚變環(huán)境下100MW/m2的熱沖擊。在上述等離子體輻照條件下，用以上兩種工藝制備的W/Cu梯度材料表面沒有明顯的濺射損傷。
權(quán)利要求
1.一種W/Cu梯度材料，其特征在于材料設(shè)計W/Cu梯度材料的兩端分別是W及Cu合金，梯度層中W的體積分布按公式 計算，其中C是任意梯度層中W的體積百分?jǐn)?shù)，x是相應(yīng)梯度層的位置，d為梯度層厚度，p是成分分布指數(shù)，p值范圍為0.6-1.8；金屬W層的厚度為1-4mm，金屬Cu的厚度為1-2mm；中間過渡層的層數(shù)為1-8層；為了提高W-Cu間的結(jié)合強度，在金屬銅中加入5-10重量百分比的相粘結(jié)劑，這些粘接劑是Ni、Zr、V、Ti和Cr。
2.一種制備W/Cu梯度材料的方法，用等離子體噴涂制備W/Cu梯度材料，其特征在于首先在Cu基體上先噴涂Cu底層，然后噴涂含有W和Cu二者成分的過渡層；等離子體噴涂W/Cu梯度材料由以下部分組成a基底噴砂用剛玉砂刷除銅板表面的氧化層；b打底在噴砂后的銅板表面噴涂0.1-0.5mm純銅層，或添加了5-10％重量比的Ni、Zr、V、Ti、Cr的銅基合金；c噴涂過渡層1-5層，每層成分按發(fā)明構(gòu)成1的材料設(shè)計公式計算，厚度在0.5-2mm。過渡層的噴涂功率隨W含量的增加而逐步提高；d噴W層在最后過渡層噴涂0.5-2mm的純W層e上述材料的顆粒尺寸要求過200目標(biāo)準(zhǔn)泰勒篩(-0.074mm)，混合研磨過程中在隔離空氣或在惰性氣氛下進行，用機械合金磨則更好。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備的W/Cu梯度材料的方法，其特征在于在不改變主體等離子體噴涂設(shè)備的基礎(chǔ)上，只通過配制用作過渡層的不同成分的復(fù)合粉體及不同的噴涂工藝條件，采用連續(xù)噴涂或有惰性氣體保護下間歇噴涂，實現(xiàn)材料成分的梯度過渡，達到緩和熱應(yīng)力的目的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備的W/Cu梯度材料的方法，其特征在于也可以用超高壓通電快速燒結(jié)法制備W/Cu梯度材料，材料制備包括混合粉末疊層、冷壓成型及通電燒結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可用作聚變堆耐高溫等離子體沖刷偏濾器部件的W/Cu功能梯度材料,它是采用超高壓通電快速燒結(jié)和等離子體噴涂技術(shù)制備而成的具有成分梯度變化的復(fù)合材料。這種材料能承受瞬態(tài)功率為100MW/m
文檔編號C23C4/08GK1361007SQ00136770
公開日2002年7月31日 申請日期2000年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月29日
發(fā)明者葛昌純, 凌云漢, 周張健, 李江濤 申請人:北京科技大學(xué)