专利名称：喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或低活化钢热沉材料及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种核聚变装置的第一壁部件，具体是在低活化的马氏体/铁素体钢上真空等离子体喷涂厚钨涂层及其方法。
背景技术：
随着国际热核聚变实验堆ITER的即将建造，研究适合ITER及今后聚变反应堆要求的面对等离子体材料(PFM)是目前聚变研究的热点、难点和前沿研究课题，是直接关系到今后聚变反应堆能否实现的问题。
经多年研究，目前公认并可供选择的面对等离子体材料主要有高Z(原子序数)的钨与低Z的(C、Be)。其中低Z材料在等离子体性能改善和代表聚变研究进展的能量三乘积(neTe×τE)提高上起到了相当重要的作用。迄今碳基材料(CBM)以其低Z、优良的热物理和力学性能而广泛使用在大中型托卡马克装置中。对于CBM由于荷能粒子轰击而产生的较高物理溅射、化学溅射和辐射增强升华损失，不仅使第一壁使用寿命降低，而且使等离子体芯部杂质水平升高，更为主要的是在以ITER为代表的基于D+T反应的下一代磁约束聚变装置中，再沉积碳层中的高氚滞留量所导致的装置经济性和安全运行问题，使得CBM作为未来聚变反应堆PFM使用的可能性受到了很大限制。ITER已选用钨作为主要的偏滤器靶板材料，而用C/C复合材料作为其余部分，如果再沉积碳层中的高氚滞留问题得不到很好解决，在ITER后期氘氚运行阶段，就有可能采用钨作为ITER全部偏滤器靶板材料。低Z材料对于今后聚变反应堆第一壁，其寿命太短。使用低Z材料(C、Be)每年将被溅射腐蚀掉3mm以上；而高Z钨每年溅射腐蚀产额还不到0.1mm，如果第一壁以每五年更换一次来计算，其总腐蚀产额也不超过0.5mm。用高Z钨及其合金作为PFM显然是个好的选择，即使ITER装置目前第一壁材料暂定为Be，但在其后期氘、氚运行阶段采用钨作为第一壁和启动限制器材料是其预留方案。因此对于今后稳态运行聚变反应堆，用低Z材料作为PFM即将成为历史，高Z钨将成为最有希望的侯选壁材料。
目前国际热核聚变实验堆ITER中的结构材料主要选择316L不锈钢，这种结构材料耐中子辐照的积分剂量通常只有几个dpa，而今后聚变反应堆需要能耐80～150个dpa，目前低活化的马氏体/铁素体钢是符合需要的结构材料，如欧共体的EUROFER97与日本的F82H这两种牌号的低活化钢已经成为商品化。对于高功率、稳态运行聚变装置，高热负荷的实时移出是第一壁安全运行的必要条件，这不仅对PFM，而且对其与热沉连接提出了苛刻的要求。
发明内容
本发明将提供一种喷涂有厚钨涂层的第一壁部件(低活化钢热沉材料)及其制作方法，喷涂有厚钨涂层的低活化钢作为新型面对等离子体部件材料，可广泛应用到核聚变实验装置及未来聚变反应堆的第一壁上。
本发明的技术方案如下喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或低活化钢热沉材料，其特征在于是在低活化钢材料表面依次采用真空等离子体喷涂中间适配层、钨涂层，钨涂层作为面对等离子体材料，低活化钢作为结构支撑材料或作为热沉材料，不锈钢粉与钨粉的混合物作为中间适配层。
所述的喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或低活化钢热沉材料，其特征是低活化钢材料采用马氏体/铁素体钢，适配层厚度为0.1-0.5毫米，钨涂层1-3毫米，中间适配层中不锈钢粉重量份为60-70％，钨粉重量份为30-40％。
喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或低活化钢热沉材料的制作方法，其特征在于在真空等离子体喷涂设备中，以低活化钢材料为基片，在基片上采用真空等离子体同时喷涂重量份为60-70％的不锈钢粉和重量份为30-40％钨粉作为中间适配层，再在适配层上采用真空等离子体喷涂钨粉作为厚钨涂层，整个喷涂过程中采用主动水冷，将基片的温度控制在100-500℃。
所述的喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或低活化钢热沉材料的制作方法，其特征在于将基片经转移弧清洗后，真空等离子体喷涂中间适配层；喷涂钨等离子体弧中心温度在15000K，等离子体弧速度在500m/s，钨粉平均粒径在10～15微米，钨涂层密度控制在体材料的78～88％，涂层中氧含量控制在0.06～0.15％，钨涂层厚度约1-3毫米，低活化钢材料采用马氏体/铁素体钢。
所述的制作方法，其特征是采用70％的不锈钢粉与30％的钨粉作为中间适配层，适配层厚度约在0.5毫米，钨涂层厚度约2毫米。
今后的聚变反应堆应该是稳态运行的，实现稳态运行的必要条件是能够实时地移出沉积在第一壁上的热负荷，今后聚变堆中普通第一壁上热负荷通量通常在1MW/m2以下，因此低活化的马氏体/铁素体钢不仅是聚变堆中理想的结构支撑材料，同时也可直接作为热沉材料，这样将省去结构材料与热沉材料的大面积连接问题，只需实现结构材料与面对等离子体材料之间的直接连接即可。
钨已被重新确认为今后聚变反应堆中最有希望的候选壁材料，但其常温下属脆性，钨的熔点是所有金属中最高的，加工过程中容易氧化，严重损害该种涂层作为面对等离子体材料的性能。同时钨与低活化钢的弹性模量与热膨胀系数(接近4倍)相差较大，如何实现这样两种性能差异很大材料的大面积连接，相当棘手。
本发明直接在低活化钢材料热沉上通过真空等离子体喷涂实现高质量的厚膜钨涂层。采用真空等离子体喷涂，直接将低活化的马氏体/铁素体钢作为热沉材料，在通水冷却的情况下较易将基片温度控制在在500℃以下，这样能够较好地抑制涂层中钨晶粒长大与降低涂层中的残余应力；通过材料性能优化设计，选用0.5毫米厚70％的不锈钢粉与30％的钨粉作为中间适配层，能够较好地解决两种性能差异较大材料连接后的残余应力问题，使涂层系统在承受稳态高热负荷时，其寿命得到预期的要求；采用等离子体弧中心温度在15000K，等离子体弧速度在500m/s，能够很好地实现平均粉体直径在10～15微米的钨喷涂；在严格控制杂质与气氛的情况下，涂层中氧含量能够控制在0.06～0.15％范围内，实现的涂层密度为体材料的78～88％。这样的涂层系统性能优良，在主动冷却热负荷实验中，可以稳态地承受2～2.5MW/m2热负荷每次100秒、1000次以上的作用。完全可以满足目前的聚变实验装置及今后聚变反应堆第一壁2～3mm厚钨涂层寿命要求。
本发明工艺相对简单、可靠，并可广泛应用到核聚变实验装置及未来聚变反应堆的第一壁上。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明专利作进一步详细的描述。
参见
图1，首先将低活化的马氏体/铁素体钢加工成如图所示的水套，水套的尺寸为100×50×15，喷涂面水套的厚度为5毫米，水套其余各面厚度为4毫米，将两边分别焊上连接水管。经压力检漏合格后，喷涂面经喷沙等处理并安装到真空等离子体喷涂设备上，两端的水管与冷却水连接好，抽真空后再将喷涂面经转移弧清洗，喷涂过程中需采用主动水冷将基片温度一直控制在500℃以下。在喷涂过程中首先采用70％的不锈钢粉与30％的钨粉作为中间适配层，适配层厚度约在0.5毫米；喷涂等离子体弧中心温度在15000K，等离子体弧速度在500m/s，钨粉平均粒径在10～15微米，涂层厚度在2毫米左右，涂层密度为体材料的78～88％，涂层中氧含量控制在0.06～0.15％范围内。
使用时，将这样的模件经两端水管分别连接到聚变装置的内置冷却水上，通水冷却后，就可以放心地作为面对等离子体部件使用在核聚变实验装置及今后聚变反应堆的第一壁上。
权利要求
1.喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或低活化钢热沉材料，其特征在于是在低活化钢材料表面依次采用真空等离子体喷涂中间适配层、钨涂层，钨涂层作为面对等离子体材料，低活化钢作为结构支撑材料或作为热沉材料，不锈钢粉与钨粉的混合物作为中间适配层。
2.根据权利要求1所述的喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或低活化钢热沉材料，其特征是低活化钢材料采用马氏体/铁素体钢，适配层厚度为0.1-0.5毫米，钨涂层1-3毫米，中间适配层中不锈钢粉重量份为60-70％，钨粉重量份为30-40％。
3.喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或低活化钢热沉材料的制作方法，其特征在于在真空等离子体喷涂设备中，以低活化钢材料为基片，在基片上采用真空等离子体同时喷涂重量份为60-70％的不锈钢粉和重量份为30-40％钨粉作为中间适配层，再在适配层上采用真空等离子体喷涂钨粉作为厚钨涂层，整个喷涂过程中采用主动水冷，将基片的温度控制在100-500℃。
4.根据权利要求3所述的喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或低活化钢热沉材料的制作方法，其特征在于将基片经转移弧清洗后，真空等离子体喷涂中间适配层；喷涂钨等离子体弧中心温度在15000K，等离子体弧速度在500m/s，钨粉平均粒径在10～15微米，钨涂层密度控制在体材料的78～88％，涂层中氧含量控制在0.06～0.15％，钨涂层厚度约1-3毫米，低活化钢材料采用马氏体/铁素体钢。
5.根据权利要求3所述的制作方法，其特征是采用70％的不锈钢粉与30％的钨粉作为中间适配层，适配层厚度约在0.5毫米，钨涂层厚度约2毫米。
全文摘要
本发明公开了喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或低活化钢热沉材料及其制作方法。它包括基片选择低活化的马氏体/铁素体钢，经转移弧清洗后，采用70％的不锈钢粉与30％的钨粉作为中间适配层，适配层厚度约为0.5毫米；喷涂等离子体弧中心温度在15000K，等离子体弧速度在500m/s，钨粉平均粒径在10～15微米，涂层厚度在2毫米，涂层密度为体材料的78～88％，涂层中氧含量控制在0.06～0.15％，整个喷涂过程中基片均需要采用主动水冷将其温度控制在500℃以下。低活化钢既作为结构支撑材料也作为热沉材料，通过中间适配层经真空等离子体喷涂钨直接沉积在其上，解决了这两种材料之间大面积连接的关键性难题，在主动冷却情况下其可以稳态承受1MW/m
文档编号C23C14/00GK1755840SQ20051009515
公开日2006年4月5日 申请日期2005年10月27日 优先权日2005年10月27日
发明者陈俊凌, 李建刚 申请人:中国科学院等离子体物理研究所