专利名称：喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或铜合金热沉及其制作方法
技术领域：
本发明涉及用于核聚变装置中的第一壁部件(热沉部件)，具体来说是一种铜合金热沉上真空等离子体喷涂厚钨涂层及其制作方法。
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。
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，而且对其与热沉的连接提出了苛刻要求。钨常温下属脆性，加工和使用不便，特别是钨与铜合金热沉的热膨胀系数相差较大(4倍多)，这给钨基第一壁材料系统功能集成带来了相当的困难。ITER偏滤器靶板项目已发展了在铜合金热沉上通过活性金属浇铸一纯铜层，再经过等静压或电子束焊接等实现钨棒(Rod)、层(Lamellar)和刷(Macrobrush)等三种概念连接，该工艺复杂且成本很高，难以大面积使用。
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(铜合金热沉)及其制作方法，采用钨涂层作为面对等离子体部件材料，可广泛应用到核聚变实验装置的偏滤器靶板与限制器等高热负荷部件上。
本发明的技术方案如下喷涂有厚钨涂层的核聚变装置中的第一壁部件或铜合金热沉，其特征在于是在铜合金表面依次采用真空等离子体喷涂适配层、钨涂层构成，铜合金作为热沉材料，适配层为NiCrAl材料，钨涂层作为面对等离子体材料。
所述的第一壁部件或铜合金热沉，其特征在于适配层厚度为0.1-0.5毫米，钨涂层1-3毫米，铜合金采用CuCrZr合金。
喷涂有厚钨涂层的核聚变装置中的第一壁部件或铜合金热沉的制作方法，其特征在于在真空等离子体喷涂设备中，采用CuCrZr合金热沉作为基片，在基片上采用真空等离子体喷涂200-300目的NiCrAl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℃。
所述的制作方法，其特征是将基片经真空等离子体转移弧清洗后，喷涂NiCrAl粉作为中间适配层，适配层厚度控制在0.1-0.5毫米，喷涂钨等离子体弧中心温度在12000～15000K，等离子体弧速度在400～500m/s，钨粉平均粒径在2～5微米，钨涂层密度控制在体材料的85～95％，钨涂层中氧含量控制在0.06～0.15％，钨涂层厚度在2毫米左右。
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，其高热负荷部件的热通量通常可达5～10MW/m2。钨的熔点是所有金属中最高的，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，加工过程中容易氧化、也容易被杂质所污染、损害钨涂层作为面对等离子体材料的性能。CuCrZr合金有很高的热导率，优良的热力学与机械性能，是理想的热沉材料。但钨与铜合金的弹性模量与热膨胀系数(4倍多)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。
本发明通过材料性能优化设计选用0.5毫米厚NiCrAl适配层，能有效地解决钨与铜合金热沉之间的残余应力问题，使钨涂层在承受稳态高热负荷的时候，其寿命能够得到预期要求；真空等离子体喷涂的钨涂层，其结构均匀、致密，其中的有害杂质(如氧)能够得到很好的控制，其综合性能能够满足面对等离子体材料的极高要求。
对于国家大科学工程EAST偏滤器靶板、ITER后期及今后聚变反应堆第一壁2～3mm厚的钨瓦寿命即已足够，因此本发明直接在铜合金热沉上通过真空等离子体喷涂的厚膜钨涂层完全可以满足工程要求。
本发明喷涂的工艺，在通水冷却的情况下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NiCrAl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12000～15000K，等离子体弧速度在400～500m/s，能够很好地实现平均粉体直径在2～5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85～95％。这样的钨涂层性能优良，在主动冷却热负荷实验中，可以稳态地承受5～10MW/m2热负荷的长期作用。该种工艺相对简单、可靠，并可广泛应用到目前核聚变实验装置偏滤器靶板与限制器等高热负荷部件上。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
参见
图1，首先将CuCrZr合金加工成100×30×20毫米的方块，在离上表面10毫米的中心处确定为圆心，通过深孔钻打一直径为10毫米的圆孔，两边分别焊上连接的水管。将这样的基片表面上经过喷沙等处理后，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，首先喷涂300目的NiCrAl粉作为中间适配层，适配层厚度控制在0.5毫米以内；再喷涂钨粉作为面对等离子体材料，喷涂等离子体弧中心温度在12000～15000K，等离子体弧速度在400～500m/s，钨粉平均粒径在2~5微米，涂层厚度在2毫米左右，涂层密度为体材料的85～95％；涂层中氧含量控制在0.06～0.15％范围内。
使用时，将本发明的两根水管分别连接到真空等离子体喷涂设备的内置冷却水上，铜合金热沉直接安装在结构支撑上。通水冷却后，就可以放心地作为面对等离子体部件使用在聚变实验装置的高热负荷部件上。
权利要求
1.喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或铜合金热沉，其特征在于是在铜合金表面依次采用真空等离子体喷涂适配层、钨涂层构成，铜合金作为热沉材料，适配层为NiCrAl材料，钨涂层作为面对等离子体材料。
2.根据权利要求1所述的第一壁部件或铜合金热沉，其特征在于适配层厚度为0.1-0.5毫米，钨涂层1-3毫米，铜合金采用CuCrZr合金。
3.喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或铜合金热沉的制作方法，其特征在于在真空等离子体喷涂设备中，采用CuCrZr合金热沉作为基片，在基片上采用真空等离子体喷涂200-300目的NiCrAl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所述的制作方法，其特征是将基片经真空等离子体转移弧清洗后，喷涂NiCrAl粉作为中间适配层，适配层厚度控制在0.1-0.5毫米，喷涂钨等离子体弧中心温度在12000～15000K，等离子体弧速度在400～500m/s，钨粉平均粒径在2～5微米，钨涂层密度控制在体材料的85～95％，钨涂层中氧含量控制在0.06～0.15％，钨涂层厚度在2毫米左右。
全文摘要
本发明公开了喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或铜合金热沉及其制作方法，是在铜合金表面依次采用真空等离子体喷涂适配层、钨涂层构成，铜合金作为热沉材料，适配层为NiCrAl材料，钨涂层作为面对等离子体材料。适配层厚度控制在0.5毫米以内；喷涂等离子体弧中心温度在12000～15000K，等离子体弧速度在400～500m/s，钨粉平均粒径在2～5微米，涂层厚度在2毫米左右，涂层密度为体材料的85～95％，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。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5～10MW/m
文档编号C23C14/00GK1787115SQ20051009515
公开日2006年6月14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