CN102260869A - 一种采用冷气动力喷涂技术制备钨涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用冷气动力喷涂技术制备钨涂层的方法，属于金属表面工程。具体是以细钨粉为原料，采用冷气动力喷涂技术在铜合金或不锈钢基体上制备钨涂层。在冷气动力喷涂制备钨涂层时，钨粉粒度在0.4-10μm，载气和加速气体可以采用氮气或氦气，喷涂距离在10-50毫米。当采用氮气作为加速气体和载气时，冷气动力喷涂的温度控制在500℃-800℃，气流压力在20bar-50bar，送粉量在10-50g/min。当采用氦气作为加速气体和载气时，冷气动力喷涂的温度控制在200℃-500℃，气流压力在10bar-30bar,送粉量在10-20g/min。本发明的优点是可以在铜合金和不锈钢上制备钨涂层，制备的涂层致密，无氧化现象存在，涂层界面结合完好，没有孔隙、裂纹等缺陷，可制备小于10微米的钨涂层。

Description

一种采用冷气动力喷涂技术制备钨涂层的方法
技术领域
 发明属于涂层的制备技术，特别涉及高熔点金属钨涂层的制备方法，具体是采用冷气动力喷涂技术在铜合金基体或不锈钢基体上的制备涂层。
背景技术
随着国际热核聚变堆（International Thermonuclear Experimental Reactor：ITER）在法国的建造，研究适合ITER及今后聚变反应堆要求的面向等离子体材料（Plasma Facing Materials：PFM）和面向等离子体部件（Plasma Facing Components：PFC）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堆能否实现的问题。经过多年研究，目前公认并可供选择的面向等离子体材料主要有高Z（原子序数）的W与低Z的C、Be。以ITER为代表的基于D＋T反应的下一代磁约束聚变装置中，碳的化学溅射和再沉积碳层中的高氚滞留所导致的装置经济性和安全运行问题，使得碳基材料（Carbon Based Materials：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，很可能采用钨作为ITER全部偏滤器靶板材料。同时，钨具有高的熔点、不与氚发生共沉积等特点，H. Bolt等在2004年提出和评价了一个全钨覆盖内表面的聚变堆装置，因此，从目前来看钨显示出是最有前景的一种面向等离子体材料。鉴于W在未来壁材料中的重要地位。中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所（以下简称等离子体所）独立建造的世界上第一个具有非圆截面的全超导托卡马克EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak），确定了逐步从现在的全C变成全W-PFM的发展方向。
为了有效解决聚变堆中PFC部件的连接问题，涂层技术在实验聚变堆装置中得到了广泛的应用，涂层技术不仅可适用于结构复杂的基体，而且面向等离子体材料的制备及其与热沉材料的连接可以一步完成。相比较物理气相沉积和化学气相沉技术，等离子体喷涂操作简单易行，沉积效率高等优点，但是等离子体喷涂目前能够制备出低氧含量的钨涂层主要是真空或低压等离子体喷涂，而真空或低压等离子体喷涂成本高，并且试样的尺寸受到限制，基体的预热使得铜合金基体特别是弥散强化的铜合金的性能大大降低。而大气等离子体喷涂制备的钨涂层的氧含量较高，难以满足要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的是提供一种制备的涂层致密，无氧化现象存在，涂层界面结合完好，没有孔隙、裂纹等缺陷，可制备小于10微米的钨涂层的采用冷气动力喷涂技术制备钨涂层的方法。
本发明的技术方案是：一种采用冷气动力喷涂技术制备钨涂层的方法，具体步骤如下：
1）将铜合金或不锈钢材料按固定的规格切割好，用丙酮对铜合金或不锈钢材料的喷涂表面进行去油污处理，在用无水乙醇超声波清洗，脱水干燥，最后用喷砂机对表面进行喷砂处理，备用； 
2)将经过上述步骤处理过的铜合金或不锈钢材料安装在冷气动力喷涂的卡具上，采用粒度为0.4-10微米的钨粉，氮气或氦为气载气和加速气体，气流量为70.0-80m3/h，送粉量在10-50g/min，喷涂距离在10mm-50mm对铜合金或不锈钢材料表面进行喷涂；其中，采用氮气作为加速气体和载气时，冷气动力喷涂的温度控制在500℃-800℃，气流压力在20bar-50bar；当采用氦气作为加速气体和载气时，冷气动力喷涂的温度控制在100-600℃，气流压力在10bar-50bar。
本发明的有益效果是：
(1)喷涂过程温度低
喷涂工作温度低，对喷涂粒子和基体的热影响小。喷涂粒子基本没有氧化、相变或晶粒长大，适用于温度敏感材料、氧化敏感材料和相变敏感材料；而对基体热影响小的直接优势使基体有更广泛的选择空间，同时也避免了热喷涂凝固过程中产生的宏观和微观偏聚，保留了喷涂材料粒子本来的特性。同时，可以制备纳米涂层和非晶态涂层。
(2)涂层承受压应力
形成的涂层承受压应力,有利于制备较厚的涂层。冷喷涂中残余拉应力低，与之对应的是在热喷涂中，由于喷涂材料的凝固收缩，涂层中形成了有害的残余拉应力。形成涂层的孔隙率低且和基体有较高的结合强度。
(3)经济和环保
冷气动力喷涂设备相对比较简单，无需等离子体、电弧、起爆、燃烧及用于加热喷射气体的复杂设备。无热辐射，无需高温热源，成本较低。操作简便和安全，送粉速度快，生产率较高。
针对冷气动力喷涂制备的涂层氧含量低、涂层残余拉应力低、可以制备大面积的厚涂层和可原位修复的优点。
附图说明：
图1是冷动力喷涂系统的原理示意图。
图2是本发明实施例1的喷涂的表面形貌示意图。
图3是本发明实施例2的喷涂的表面形貌示意图。
图4是本发明实施例3的喷涂的表面形貌示意图。
图5是本发明实施例4的喷涂的表面形貌示意图。
图6是本发明实施例5的喷涂的表面形貌示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
    （1）首先将铜合金和不锈钢加工成所需要的形状，用酒精加超声波清洗，然后用喷砂将喷涂面毛化。
    （2）将原始钨粉进行真空烘干处理。
    （3）把处理好的基体安装在冷气动力喷涂设备的工装上，调整喷涂距离。
（4）设定好实验参数后对基体进行冷喷涂。
   下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
冷气动力喷涂所用的铜合金为市售，试样尺寸为20mm×30mm×10mm，用丙酮对喷涂表面进行去油污处理，无水乙醇超声波清洗，脱水干燥，最后用喷砂机对表面进行喷砂处理。
把处理好的试样放在冷气动力喷涂的夹具上，然后用冷气动力喷涂设备Kinetic 3000进行冷喷涂，使用氮气为载气和加速气体，工艺参数为喷涂温度为730℃，压力为32.2bar，气流量为75.0m3/h，喷涂距离为30mm，送粉量为20g/min。喷涂的样品的表面形貌如图2所示。
实施例2
冷气动力喷涂所用的316L不锈钢为市售，试样尺寸为20mm×30mm×10mm，用丙酮对喷涂表面进行去油污处理，无水乙醇超声波清洗，脱水干燥，最后用喷砂机对表面进行喷砂处理。
把处理好的试样放在冷气动力喷涂的夹具上，然后用冷气动力喷涂设备Kinetic 3000进行冷喷涂，使用氮气为载气和加速气体，工艺参数为喷涂温度为500℃，压力为20bar，气流量为70.0m3/h，喷涂距离为50mm，送粉量为50g/min。喷涂的样品的表面形貌如图3所示。
实施例3
冷气动力喷涂所用的铜合金为市售，试样尺寸为20mm×30mm×10mm，用丙酮对喷涂表面进行去油污处理，无水乙醇超声波清洗，脱水干燥，最后用喷砂机对表面进行喷砂处理。
把处理好的试样放在冷气动力喷涂的夹具上，然后用冷气动力喷涂设备KM-CDS进行冷喷涂，使用氦气为载气和加速气体，工艺参数为喷涂温度为250℃，压力为10bar，气流量为75.0m3/h，喷涂距离为10mm，送粉量为10g/min。喷涂的样品的表面形貌如图4所示。
实施例4
冷气动力喷涂所用的铜合金为市售，试样尺寸为20mm×30mm×10mm，用丙酮对喷涂表面进行去油污处理，无水乙醇超声波清洗，脱水干燥，最后用喷砂机对表面进行喷砂处理。
把处理好的试样放在冷气动力喷涂的夹具上，然后用冷气动力喷涂设备Kinetic 3000进行冷喷涂，使用氮气为载气和加速气体，工艺参数为喷涂温度为800℃，压力为50bar，气流量为80.0m3/h，喷涂距离为30mm，送粉量为25g/min。喷涂的样品的表面形貌如图5所示。
实施例5
冷气动力喷涂所用的316L不锈钢为市售，试样尺寸为20mm×30mm×10mm，用丙酮对喷涂表面进行去油污处理，无水乙醇超声波清洗，脱水干燥，最后用喷砂机对表面进行喷砂处理。
把处理好的试样放在冷气动力喷涂的夹具上，然后用冷气动力喷涂设备Kinetic 3000进行冷喷涂，使用氦气为载气和加速气体，工艺参数为喷涂温度为600℃，压力为50bar，气流量为80m3/h，喷涂距离为50mm，送粉量为27g/min。喷涂的样品的表面形貌如图6所示。

Claims (1)

1.一种采用冷气动力喷涂技术制备钨涂层的方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）将铜合金或不锈钢材料按固定的规格切割好，用丙酮对铜合金或不锈钢材料的喷涂表面进行去油污处理，在用无水乙醇超声波清洗，脱水干燥，最后用喷砂机对表面进行喷砂处理，备用； 
2)将经过上述步骤处理过的铜合金或不锈钢材料安装在冷气动力喷涂的卡具上，采用粒度为0.4-10微米的钨粉，氮气或氦为气载气和加速气体，气流量为70.0-80m3/h，送粉量在10-50g/min，喷涂距离在10mm-50mm对铜合金或不锈钢材料表面进行喷涂；其中，采用氮气作为加速气体和载气时，冷气动力喷涂的温度控制在500℃-800℃，气流压力在20bar-50bar；当采用氦气作为加速气体和载气时，冷气动力喷涂的温度控制在100-600℃，气流压力在10bar-50bar。
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