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、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(中國(guó)科學(xué)院等離子體研究所,安徽合肥,230031 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(méi)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 /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

2、氏模量相差很大,在加載熱通量過(guò)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(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。0 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)明了爆炸噴涂技術(shù)1。20世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)烏克蘭科學(xué)院材料研究所和焊接研究所開(kāi)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)等軍事領(lǐng)域,現(xiàn)在逐漸向工業(yè)、能源領(lǐng)域發(fā)展2。爆炸噴涂是利用混合氣體爆炸的能量將具有各種功能的粉末材料加熱

8、并加速轟擊到工件表面上,使之形成堅(jiān)固涂層,噴涂時(shí)先將一定壓力、比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)點(diǎn)3-5第34卷 第6期表 面 技 術(shù)Vol.34 NO.6 2005年12月SURFACE TECHNOLOGY Dec.2005 =0.03mm1,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

9、徑為2m的工件1。成功的涂層有WC-Co和陶瓷材料涂層、Cr3C 2 -NiCr6、Al2O3陶瓷梯度涂層7。磁約束核聚變面對(duì)等離子體材料要承受120MW/m2的熱負(fù)荷8-9,耐熱沖擊性能是選擇面對(duì)等離子體材料的重要要求。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10爆炸氣體為乙炔和氫氣,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。圖1 爆炸噴涂裝置

10、模型工件表面預(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Ra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(kāi)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0.5m3/min,工件表面切向速度與槍體水平移動(dòng)速度的比為0.6,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

11、。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(guò)程中電子加速電壓恒定11keV,通過(guò)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/m2。真空度小于10-2Pa,樣品水冷通道直徑d=10mm,進(jìn)水溫度為25,流量計(jì)顯示為2m3/h,可以換算成水冷流速大約在7.1m/s。三組熱電偶測(cè)溫,熱電偶布置如圖2所示,距表面5mm,中心間距5mm,1#,2#,3#熱電偶深度分別為14mm,15mm,14mm,熱電偶孔

12、直徑為2mm。圖2 樣品模型的剖面圖(單位:mm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/m2,約120s溫度基本保持一致,說(shuō)明樣品的結(jié)構(gòu)在不同位置基本一致,沒(méi)有大的明顯的缺陷,同時(shí)也說(shuō)明水冷效果很好。但3#熱電偶在熱通量為5.13MW/m2時(shí)(約300s溫度快速上升,這說(shuō)明缺陷已經(jīng)形成,同時(shí)也導(dǎo)致附近的1#,2#熱電偶(2#靠近3#的溫度隨之上升,當(dāng)熱通量升到6.97MW/m2時(shí),溫度急劇上升,可以看出缺陷開(kāi)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.

13、47MW/m2到4.03MW/m2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5.13M/m2時(shí),溫度一直是升高的,缺陷在逐漸擴(kuò)大。當(dāng)去掉熱負(fù)荷時(shí)(約380s,遠(yuǎn)離缺陷的1#線溫度降的最快。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)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 =3 結(jié)論對(duì)低鈷貯氫合金MlNiMnCoCuFeSiCrB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(wú)顯著提高。參考文獻(xiàn)Co0.3Mn0.3Al0.4Fe0.5-x Sn

14、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(NiCoMnAlFe5電化學(xué)性能的影響J.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2001,10(1:220-2223Li 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尹樹(shù)峰.低Co貯氫合金的研究進(jìn)展J.稀有金屬材料與工程,2004,33(9:913-9176孫春文.化學(xué)鍍Ni-Co-P合金對(duì)Mm(NiCoAlMn5貯氫合金電極動(dòng)力學(xué)性能的的研究J.中國(guó)稀土學(xué)報(bào),2001,19(2:115-1207夏同馳.貯氫合金表面鍍銅及其穩(wěn)定性的研究J.電池,2002,32(4:214-2168夏同馳.微包覆鈷貯氫合金電極電化學(xué)性能的研究J.電化學(xué),2004,10(2:235-2399Choi

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18、nal of Al-loys and Compounds,2003,356:%734-737(上接第34頁(yè)圖5 1#熱電偶采集的溫度與疲勞次數(shù)之間的關(guān)系圖5為1#熱電偶在不同的熱通量、不同脈沖時(shí)間的條件下的熱疲勞實(shí)驗(yàn)。2MW/m2、20s脈沖經(jīng)過(guò)300周的熱疲勞,樣品仍然完好;而在5MW/m2、雖然是2s脈沖,但也只能承受95周的熱疲勞實(shí)驗(yàn),而且溫度達(dá)到170比2MW/m2時(shí)要高100。在較低的熱負(fù)荷情況,樣品表現(xiàn)出非常好的性能,這可能由于爆炸噴涂時(shí)W和Cu基體之間結(jié)合強(qiáng)度太高,而且兩者膨脹系數(shù)相差太大,所以導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)熱應(yīng)力在界面處產(chǎn)生且很快達(dá)到屈服極限值,所以采用較厚的、膨脹系數(shù)和楊氏模量介

19、于兩者之間的適配層效果可能更好。4 結(jié)束語(yǔ)爆炸噴涂法是Cu基體上制備W涂層的一種方法,能在大面積的基體材料上噴涂、且雜質(zhì)含量少、與基體的結(jié)合強(qiáng)度高。磁約束核聚變反應(yīng)時(shí)大量的熱載荷和很高的能量粒子通量要沉積到面對(duì)等離子體材料上,所以對(duì)材料的耐熱沖擊性有很高的要求,爆炸噴涂W涂層與基體Cu有較高的結(jié)合力、能耐一定負(fù)荷的熱沖擊、有較高的熱導(dǎo)率,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)W涂層能承受5MW/ m2、2s脈沖、95周熱疲勞,且Cu基體的溫度在200以下,而且在較低熱通量下顯示出更優(yōu)越的性能,在2MW/m2、20s脈沖、300周疲勞,樣品沒(méi)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