一种用于热核聚变堆磁体支撑部件的复合涂层及其制备方法与流程

本发明涉及材料表面处理
技术领域：
，具体而言，涉及一种用于热核聚变堆磁体支撑部件的复合涂层及其制备方法。
背景技术：
：国际热核聚变实验堆(iter)计划是大型的国际大科学合作计划，其已进人实质性建造阶段。在这项合作计划中，iter磁体支撑任务是中国承担的iter采购包任务之一。iter磁体系统所有的净重(约100mn)最终由纵场磁体的重力支撑(gravitysupports,gs)承担。除承担净重外，磁体支撑还要在超导线圈冷却时能承受径向收缩31mm时所产生的强热应力、正常放电运行时的强电磁力、非正常运行时(如等离子体破裂，垂直不稳定发生及地震时)的瞬时冲击电磁载荷等复杂工况；因此磁体支撑是iter重要的结构安全部件之一。然而在聚变堆运行过程中，这些磁体支撑部件将会产生较大的感应电流，进而产生焦耳热。现有的磁体支撑部件导热性能较差，导致部件迅速达到很高温度，甚至会造成微区熔化使部件咬合，进而造成支撑结构件失效，影响运行安全。技术实现要素：本发明的第一目的包括提供一种用于热核聚变堆磁体支撑部件的复合涂层，该复合涂层与基体结合良好，抗低温热冲击性能和高负荷下绝缘性能优良，满足国际热核聚变实验堆对磁体支撑部件的技术要求。本发明的第二目的包括提供一种上述复合涂层的制备方法，该方法简单，易操作，可控性强，生产效率和成品率高，有利于制备组织均匀以及性能良好的复合涂层。本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：本发明提出一种用于热核聚变堆磁体支撑部件的复合涂层，该复合涂层包括用于在热核聚变堆磁体支撑部件的待处理表面依次设置的过渡层和绝缘层。该过渡层包括含ni的涂层，绝缘层包括含al2o3和tio2的陶瓷绝缘层。在一些优选地实施方式中，陶瓷绝缘层的成分含有不低于97wt％的al2o3和不超过3wt％的tio2。在一些更优选地实施方式中，陶瓷绝缘层包括al2o3-3tio2绝缘层。在一些优选地实施方式中，过渡层包括ni5al层、nicr层和nicral层中的至少一种。在一些更优选地实施方式中，过渡层包括ni5al层。在一些实施方式中，ni5al层的厚度为50-120μm。在一些实施方式中，al2o3-3tio2绝缘层的厚度为200-300μm。在一些实施方式中，复合涂层的结合强度不低于30mpa，优选为31.3-33.4mpa。在一些实施方式中，复合涂层经液氮-室温环境热冲击10次后仍保持完整，其中，液氮-室温环境的温度为77k至300k。在一些实施方式中，复合涂层经液氮-室温环境热冲击10次后，在载荷250mpa下表面电阻率不低于220mω/sqr，更优为221-290mω/sqr。此外，本发明还提出了一种上述复合涂层的制备方法，包括以下步骤：于热核聚变堆磁体支撑部件的待处理表面依次设置过渡层和绝缘层。可选地，热核聚变堆磁体支撑部件包括垫圈、涂层套及顶部夹头中的至少一种。在一些实施方式中，喷涂ni5al层所用的原料为粒径为45-90μm的ni5al。在一些实施方式中，喷涂al2o3-3tio2绝缘层所用的原料为粒径为22-45μm的al2o3-3tio2。在一些实施方式中，主要按以下等离子喷涂条件喷涂ni5al层：电流为580-640a，氩气流量为42-50l/min，氢气流量为7-12l/min，送粉量为18-23g/min，载气量为2-4l/min，喷涂距离为100-140mm。在一些实施方式中，主要按以下等离子喷涂条件喷涂al2o3-3tio2绝缘层：电流为600-650a，氩气流量为40-50l/min，氢气流量为8-12l/min，送粉量为27-35g/min，载气量为3-5l/min，喷涂距离为110-150mm。在一些实施方式中，在喷涂ni5al层前，对热核聚变堆磁体支撑部件的待处理表面进行前处理。前处理包括：对热核聚变堆磁体支撑部件的待处理表面进行脱脂除油处理。在一些实施方式中，前处理还包括对脱脂除油后的热核聚变堆磁体支撑部件的待处理表面进行粗化处理。在一些实施方式中，主要按以下喷砂条件按进行粗化处理：喷砂压力为0.3-0.5mpa，喷砂距离为100-300mm，喷砂机的喷嘴轴向方向与待喷涂区域保持60°-90°的夹角。在一些实施方式中，喷砂处理过程中所用的砂粒材料包括白刚玉、棕刚玉和锆刚玉中的至少一种。优选地，砂粒材料的粒度为24-46#。本申请提供的用于热核聚变堆磁体支撑部件的复合涂层及其制备方法的有益效果包括：通过在热核聚变堆磁体支撑部件的待处理表面设置陶瓷绝缘层，有利于使热核聚变堆磁体支撑部件具有高负荷下高电阻率、低温抗热冲击性能、耐腐蚀性及低氚渗透性等性能。通过在绝缘层及待处理表面之间设置过渡层，有效改善了不锈钢基体材料与陶瓷绝缘材料之间的不相容性，减小了喷涂过程中产生的热残余应力，提高了涂层与不锈钢基体材料的结合强度和涂层的低温热循环寿命。此外，本申请提供的复合涂层的制备方法操作简单，可控性强，有利于得到厚度较均匀一致的复合涂层。附图说明为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本申请实施例1提供的具有复合涂层的垫圈的结构示意图；图2为本申请实施例2提供的具有复合涂层的涂层套的结构示意图；图3为本申请实施例3提供的具有复合涂层的顶部夹头的结构示意图；图4为本申请实施例1中复合涂层的截面形貌图；图5为本申请实施例2中复合涂层的截面形貌图；图6为本申请实施例3中复合涂层的截面形貌图；图7为本申请试验例2经低温热冲击循环10次后实施例1中复合涂层的表面形貌图；图8为本申请试验例2经低温热冲击循环10次后实施例2中复合涂层的表面形貌图；图9为本申请试验例2经低温热冲击循环10次后实施例3中复合涂层的表面形貌图。图标：1-垫圈；11-外圆面；12-内圆面；13-上表面；14-下表面；2-涂层套；21-上圆面；3-顶部夹头；31-待喷涂面。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本申请实施例提供的用于热核聚变堆磁体支撑部件的复合涂层及其制备方法进行具体说明。本申请所涉及的热核聚变堆磁体支撑部件主要包括垫圈、涂层套和顶部夹头。这些热核聚变堆磁体支撑部件通常由316ln或a286不锈钢加工而成，由于这些材料导热性较差，从而导致支撑部件迅速达到很高温度，甚至会造成微区熔化使部件咬合，导致支撑结构件失效，影响运行安全。发明人发现，无论是在成本方面还是效果方面，对热核聚变堆磁体支撑部件的材料进行改进均不如在热核聚变堆磁体支撑部件的表面喷涂以下复合涂层。本申请提供的复合涂层包括绝缘层，可选地，上述绝缘层可以包括含有al2o3和tio2的陶瓷绝缘层，此外，也可包括mgal2o4陶瓷绝缘层。通过在热核聚变堆磁体支撑部件的表面喷涂上述绝缘层，有利于使热核聚变堆磁体支撑部件具有高负荷下高电阻率、低温抗热冲击性能、耐腐蚀性及低氚渗透性等性能。在一些优选地实施方式中，陶瓷绝缘层的成分含有不低于97wt％的al2o3和不超过3wt％的tio2。在一些更优地实施方式中，陶瓷绝缘层为al2o3-3tio2绝缘层。通过在al2o3中添加tio2，较未添加tio2明显提高了热核聚变堆磁体支撑部件在高载荷(250mpa)条件下的绝缘性能。值得说明的是，本申请中所涉及的al2o3-3tio2是指al2o3与tio2的质量比为97:3。发明人发现，通过将al2o3与tio2的质量比设置为97:3能够较其它配比条件下与过渡层(尤其是本申请中的ni5al过渡层)具有更优的相容性。但发明人发现，若直接将陶瓷绝缘层喷涂于热核聚变堆磁体支撑部件的表面，不锈钢材料与陶瓷材料具有不相容性，会导致喷涂过程中产生热残余应力，降低了陶瓷绝缘层与不锈钢基体材料之间的结合强度。鉴于此，发明人在绝缘层与热核聚变堆磁体支撑部件的表面设置过渡层，也即过渡层和绝缘层依次设置于热核聚变堆磁体支撑部件的表面。通过设置过渡层，有效改善了不锈钢基体材料与陶瓷绝缘材料之间的不相容性，减小了喷涂过程中产生的热残余应力，提高了涂层与不锈钢基体材料的结合强度和涂层的低温热循环寿命。在一些实施方式中，上述过渡层包括含ni的涂层，例如可包括ni5al层、nicr层和nicral层中的至少一种，优选包括ni5al层，该过渡层能够较其它类型的过渡层对不锈钢内基体以及陶瓷绝缘层，尤其是al2o3-3tio2绝缘层均具有更优的相容性。可参照地，上述ni5al层的厚度可以为50-120μm，如50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm或120μm等，也可以为50-120μm范围内的任一其它厚度值。将ni5al层的厚度设置为上述范围，可避免ni5al层厚度低于50μm时导致粗糙度过低降低与al2o3-3tio2绝缘层间的结合力，同时又可避免ni5al层厚度高于120μm后造成ni5al层内应力较大，导致涂层剥落。可参照地，上述al2o3-3tio2绝缘层的厚度可以为200-300μm，如200μm、220μm、250μm、280μm或300μm等，也可以为200-300μm范围内的任一其它厚度值。值得说明的是，本申请中al2o3-3tio2绝缘层厚度不低于200μm，否则会造成涂层绝缘性能不足，同时涂层厚度不超过300μm，否则会提高绝缘层在循环热冲击下产生涂层断裂和剥落失效的隐患。此外，本发明还提出了一种上述复合涂层的制备方法，包括以下步骤：于热核聚变堆磁体支撑部件的待处理表面依次喷涂过渡层和绝缘层，也即先喷涂过渡层，再喷涂绝缘层。其中，热核聚变堆磁体支撑部件包括垫圈、涂层套或顶部夹头。可选地，喷涂ni5al层所用的原料可以但不仅限于为粒径为45-90μm(如45μm、50μm、60μm、70μm、80μm或90μm等)的ni5al粉末。值得说明的是，本申请中，ni5al粉末不低于45μm，否则会造成涂层粗糙度不足，同时不超过90μm，否则粉末熔化程度低，与基体材料结合差，起不到过渡作用。可选地，喷涂al2o3-3tio2绝缘层所用的原料可以但不仅限于为粒径为22-45μm(如22μm、25μm、30μm、35μm、40μm或45μm等)的al2o3-3tio2粉末。值得说明的是，本申请中，al2o3-3tio2粉末粒径不低于22μm，否则会造成粉末沉积效率低，制备经济性差，同时不超过45μm，否则会导致粉末熔化程度不够，同样造成沉积效率低，涂层性能变差。在一些实施方式中，可以主要参照以下等离子喷涂条件喷涂ni5al层：电流为580-640a(如580a、600a、620a或640a等)，氩气流量为42-50l/min(如42l/min、45l/min、48l/min或50l/min等)，氢气流量为7-12l/min(如7l/min、8l/min、9l/min、10l/min、11l/min或12l/min等)，送粉量为18-23g/min(如18g/min、19g/min、20g/min、21g/min、22g/min或23g/min等)，载气量为2-4l/min(如2l/min、2.5l/min、3l/min、3.5l/min或4l/min等)，喷涂距离为100-140mm(如100mm、110mm、120mm、130mm或140mm等)。上述喷涂条件中，电流、氩气和氢气流量对ni5al层的组织结构及性能具有较大影响，电流、氩气和氢气流量会影响ni5al粉末粒子速度和温度，进而影响涂层结合强度、氧化程度和缺陷数量等关键性能。在一些实施方式中，可以主要参照以下等离子喷涂条件喷涂al2o3-3tio2绝缘层：电流为600-650a(如600a、610a、620a、630a、640a或650a等)，氩气流量为40-50l/min(如40l/min、42l/min、45l/min、48l/min或50l/min等)，氢气流量为8-12l/min(如8l/min、9l/min、10l/min、11l/min或12l/min等)，送粉量为27-35g/min(如27g/min、28g/min、29g/min、30g/min、32g/min或35g/min等)，载气量为3-5l/min(如3l/min、3.5l/min、4l/min、4.5l/min或5l/min等)，喷涂距离为110-150mm(如110mm、120mm、130mm、140mm或150mm等)。上述喷涂条件中，电流、氩气和氢气流量对al2o3-3tio2绝缘层的组织结构及性能具有较大影响，电流、氩气和氢气流量会影响al2o3-3tio2粉末粒子速度和温度，进而影响涂层结合强度、致密程度和缺陷数量等关键性能。值得说明的是，喷涂方式、喷涂角度、喷涂距离和喷涂轨迹可根据部件形状进行针对性设计，例如：当热核聚变堆磁体支撑部件为垫圈时，喷涂方式优选采用旋转喷涂方式，喷涂垫圈平面时，喷枪角度可以为55-65°，优选60°，此过程中喷枪由垫圈的外圆面向内圆面或由垫圈的内圆面向外圆面移动，移动速度可以为10-20mm/s。喷涂垫圈内圆面时，喷枪角度可以为25-35°，优选30°，此过程中喷枪由垫圈的上表面向下表面或由垫圈的下表面向上表面移动，移动速度可以为20-35mm/s，优选为30mm/s。喷涂过程中，垫圈的旋转速度可以为180-250mm/s，优选为240mm/s。当热核聚变堆磁体支撑部件为涂层套时，喷涂方式优选采用旋转喷涂方式，喷涂涂层套平面时，喷枪角度可以为60-70°，优选65°，此过程中喷枪由涂层套的外圆面向上圆面或者由上圆面向外圆面移动，移动速度可以为15-25mm/s。喷涂涂层套的上圆面时，喷枪角度可以为-3至0°，优选-2°，此过程中喷枪由涂层套的上方向下方或者由下方向上方移动，移动速度可以为20-40mm/s，优选为35mm/s。喷涂过程中，涂层套的旋转速度可以为200-250mm/s，优选为220mm/s。当热核聚变堆磁体支撑部件为顶部夹头时，喷涂方式优选采用直线喷涂方式，喷涂顶部夹头平面时，喷枪角度可以为-3至0°，优选-2°，此过程中喷枪在顶部夹头的待喷涂面水平往返移动，移动速度可以为800-1100mm/s，优选为1000mm/s。在一些实施方式中，在喷涂ni5al层前，对热核聚变堆磁体支撑部件的待处理表面进行前处理。可参考地，前处理例如可包括对热核聚变堆磁体支撑部件的待处理表面进行清洁，如脱脂除油处理。进一步地，前处理还包括对脱脂除油后的热核聚变堆磁体支撑部件的待处理表面进行粗化处理，如喷砂处理。可参考地，可主要按以下喷砂条件按进行粗化处理：喷砂压力为0.3-0.5mpa(如0.3mpa、0.35mpa、0.4mpa、0.45mpa或0.5mpa等)，喷砂距离为100-300mm(如100mm、150mm、200mm、250mm或300mm等)，喷砂机的喷嘴轴向方向与部件待喷涂区域保持60°-90°(如60°、65°、70°、75°、80°、85°或90°等)的夹角。值得说明的是，喷砂过程中，对磁体支撑部件非喷涂区域进行遮蔽保护，例如可用胶带遮蔽。在一些实施方式中，喷砂处理过程中所用的砂粒材料可包括白刚玉、棕刚玉和锆刚玉中的至少一种。上述砂粒材料的粒度可以为24-46#。通过上述喷砂处理可去掉热核聚变堆磁体支撑部件的待喷涂面的氧化皮以增加表面活性，提高复合涂层与磁体支撑部件间的结合强度。喷砂处理后，热核聚变堆磁体支撑部件的喷涂表面的粗糙度ra>4μm。进一步地，可用压缩空气吹掉残留的砂粒或粉尘，使喷涂表面粗糙度均匀一致且无金属光泽和无污染。通过上述制备方法制备所得的复合涂层与基体材料之间的结合强度不低于30mpa，优选为31.3-33.4mpa。在一些实施方式中，制备所得的复合涂层经液氮-室温环境热冲击10次后仍保持完整，其中，液氮-室温环境的温度为77k至300k。在一些实施方式中，制备所得的复合涂层经液氮-室温环境热冲击10次后，在载荷250mpa下表面电阻率不低于220mω/sqr，优选为221-290mω/sqr。实施例1本实施例提供了垫圈1(如图1所示)部件表面等离子喷涂复合绝缘涂层的制备方法，主要通过以下步骤制作而成：s1.将316ln不锈钢垫圈1脱脂除油，喷涂面采用锆刚玉喷砂粗化，砂粒粒度为46#，喷砂压力为0.45mpa，喷砂距离为200mm，用压缩空气吹掉可能残留的砂粒或粉尘。s2.采用旋转喷涂方式喷涂垫圈1涂层。喷涂垫圈1平面时，喷枪角度为60°，喷枪由外圆面11向内圆面12移动，移动速度为10-20mm/s；喷涂内圆面12时，喷枪角度为30°，喷枪由平面上方向下方(也即由垫圈1的上表面13向下表面14)移动，移动速度为30mm/s。喷涂时垫圈1旋转速度为240mm/s。ni5al过渡层喷涂距离为120mm。al2o3-3tio2绝缘层喷涂距离为140mm。具体喷涂参数为：喷涂ni5al过渡层时等离子喷枪电流为615a，氩气42l/min，氢气9l/min，送粉量20g/min，载气4l/min；喷涂al2o3-3tio2绝缘层时喷枪电流为640a，氩气40l/min，氢气12l/min，送粉量28g/min，载气3l/min。所得的复合涂层的截面形貌图如图4所示，结果显示ni5al层与基体结合紧密，与绝缘层结合面起伏适中，可以起到很好的过渡作用；al2o3-3tio2绝缘层组织均匀，内部缺陷较少，熔化充分，涂层厚度均匀一致。实施例2本实施例提供了涂层套2(如图2所示)部件表面等离子喷涂复合绝缘涂层的制备方法，主要通过以下步骤制作而成：s1.将a286不锈钢涂层套2脱脂除油，喷涂面采用锆刚玉喷砂粗化，砂粒粒度为46#，喷砂压力为0.45mpa，喷砂距离为200mm，用压缩空气吹掉可能残留的砂粒或粉尘。s2.采用旋转喷涂方式喷涂涂层套2涂层。喷涂涂层套2平面时，喷枪角度为65°，喷枪由外圆面11向上圆面21移动，移动速度为15-25mm/s；喷涂上圆面21时，喷枪角度为-2°，喷枪由平面上方向下方移动，移动速度为35mm/s。喷涂时涂层套2旋转速度为220mm/s。ni5al过渡层喷涂距离为115mm。al2o3-3tio2绝缘层喷涂距离为130mm。具体喷涂参数为：喷涂ni5al过渡层时等离子喷枪电流为620a，氩气45l/min，氢气9l/min，送粉量20g/min，载气3.5l/min；喷涂al2o3-3tio2绝缘层时喷枪电流为650a，氩气40l/min，氢气11l/min，送粉量30g/min，载气4l/min。所得的复合涂层的截面形貌图如图5所示，结果显示ni5al层与基体结合紧密，与绝缘层结合面起伏适中，可以起到很好的过渡作用；al2o3-3tio2绝缘层组织均匀，内部缺陷较少，熔化充分，涂层厚度均匀一致。实施例3本实施例提供了顶部夹头3(如图3所示)部件表面等离子喷涂复合绝缘涂层的制备方法，主要通过以下步骤制作而成：s1.将316ln不锈钢顶部夹头3脱脂除油，喷涂面采用锆刚玉喷砂粗化，砂粒粒度为24#，喷砂压力为0.5mpa，喷砂距离为250mm，用压缩空气吹掉可能残留的砂粒或粉尘。s2.采用直线喷涂方式喷涂顶部夹头3涂层。喷涂顶部夹头3平面时，喷枪角度为-2°，喷枪在待喷涂面31往返移动，移动速度为1000mm/s。ni5al过渡层喷涂距离为120mm。al2o3-3tio2绝缘层喷涂距离为140mm。具体喷涂参数为：喷涂ni5al过渡层时等离子喷枪电流为620a，氩气45l/min，氢气8l/min，送粉量20g/min，载气2.7l/min；喷涂al2o3-3tio2绝缘层时喷枪电流为650a，氩气40l/min，氢气11l/min，送粉量30g/min，载气4l/min。所得的复合涂层的截面形貌图如图6所示，结果显示al2o3-3tio2绝缘层内部呈现典型的喷涂粒子充分熔化后层状组织结构，显示出较高的层间结合力，而且涂层缺陷较低，整体性好。试验例1采用本发明实施例1-3所制备得到的复合涂层，参照国际标准《热喷涂层粘附力或粘结强度的标准试验方法》(astmc633-2013)测定常温下涂层平均结合强度，测试结果如表1所示。表1结合强度测试结果结合强度(mpa)实施例131.3实施例232.2实施例333.4由表1可见，由本发明实施例1-3所提供的制备方法得到的复合涂层的结合强度为31.3-33.4mpa，具有较高的与基体结合力。试验例2采用本发明实施例1-3所制备得到的复合涂层，根据iterpa要求，将涂层置于液氮-室温环境热冲击10次。测试条件如下：涂层试样浸入液氮中静放10分钟，待液氮无鼓泡；取出后在室温(77k至300k)条件下静放20分钟使试样达到室温。测试结果如表2以及图7至图9所示。表2低温热冲击循环10次测试结果实施例1涂层完整，表面未观察到裂纹和剥落实施例2涂层完整，表面未观察到裂纹和剥落实施例3涂层完整，表面未观察到裂纹和剥落由表2可见，由本发明实施例1-3所提供的制备方法得到的复合涂层在经历液氮-室温环境热冲击10次后仍保持完整，具有良好的抗低温热冲击性能。试验例3采用本发明实施例1-3所制备得到的复合涂层，在对涂层进行10次液氮-室温环境热冲击基础上，参照国际标准《绝缘材料直流电阻或电导试验方法》(astmd257-2007)测定高载荷下涂层表面电阻率。测试条件如下：加载速率5kn/s，达到载荷250mpa后保压120s后测试电阻率。测试结果如表3所示。表3表面电阻率测试结果由表3可见，由本发明实施例1-3所提供的制备方法得到的复合涂层在经历10次液氮-室温环境热冲击后，表面电阻率为221-290mω/sqr，满足iterpa技术要求的10mω/sqr。综上所述，本发明实施例所提供的等离子喷涂复合绝缘涂层结合强度＞30mpa，在经历液氮-室温(77k至300k)环境热冲击10次后仍保持完整，在载荷250mpa下表面电阻率＞220mω/sqr，具有优良的高载荷下绝缘性能、低温抗热冲击性能和结合力，可满足热核聚变堆磁体支撑部件绝缘防护涂层的服役要求。以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3