CN111074199B - 一种钨合金表面高熵合金层的制备方法 - Google Patents

一种钨合金表面高熵合金层的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种钨合金表面高熵合金层的制备方法，属于金属材料表面改性领域，可解决钨应用于磁约束核聚变装置面向等离子体材料时抗氧化性能低、抗辐射能力不足等问题。采用双层辉光等离子体表面冶金技术，改变渗镀温度、保温时间及源极放置方式在钨合金表面制备均匀、致密的Ta‑W‑V‑Cr高熵合金复合渗镀层。在纯钛板表面采用排列组合法插满Ta、W、V和Cr金属棒，作为制备高熵合金层源极。在钨基材料表面形成的高熵合金渗层由浓度呈梯度变化的合金扩散层和沉积层组成，与基体有良好结合力，具有良好热物理性能、热力学性能和抗粒子辐照性能。本发明适用于磁约束核聚变装置的面向等离子体材料，为受控核聚变装置第一壁的选择提供新的材料方案。

Description

一种钨合金表面高熵合金层的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种钨合金表面高熵合金层的制备方法。
背景技术
能源是人类活动的物质基础，而化石燃料等传统能源的存量有限，在可预见的未来即将枯竭，而且其带来了严峻的环境问题。作为其替代能源的再生能源包括太阳能、风能、潮汐能、生物能等，虽有很多优点，但也存在效率低下等问题。裂变能存在着环境和安全问题，且裂变资源铀的储量有限，只能作为一种过渡性能源。受控热核聚变能是一种理想的清洁能源，几乎不会带来放射性污染等环境问题，其燃料氘大量存在于海水之中，被认为是可有效解决人类未来能源需求的主要途径。目前核聚变能源的开发利用已经引起了足够的重视，关于核聚变研究最大的组织是国际热核聚变实验堆（ITER）计划，该项目总投入高达50亿美元，成为历史上总投入仅次于国际空间站的第二大国际科技合作项目。
然而，若要有效利用这种聚变能还存在诸多技术难题，其关键问题之一就是面向高温等离子体的第一壁结构材料的选择，即面向等离子体材料（PFMs）的选择，PFMs是在磁约束可控热核聚变反应装置中直接面对等离子体的第一壁（FW）和偏滤器、限制器的装甲材料。在热核聚变反应堆运行时，反应内部全部物质均处于高温高压的等离子态。因此要求第一壁材料具有高热导率、高熔点、高抗热冲击性，以及低蒸气压、低溅射产额、低辐照放射性等性能。钨具有高熔点（3410℃）、高热导率、低物理溅射率、低氚滞留、低肿胀等特点，因而被认为是最有潜力作为第一壁的候选材料。然而在实际应用中还有许多待解决之处，钨具有低的抗氧化性能，再结晶温度较低和较低的脆韧转变温度和辐照敏感性等。已有研究表明，利用表面处理技术可以对钨基材料的抗氧化性能、力学性能及抗辐照性能进行改善。
高熵合金由于结构的特殊性，具有高的高温相结构稳定性，同时又具有优异的抗辐照性能，无论是裂变堆中的核燃料包壳材料，还是聚变堆中的第一壁材料，都具有极大的应用前景。但目前高熵合金主要采用真空电弧熔炼和熔铸方法制备，且需要使用较多的昂贵有色金属，直接制造成块状材料成本很高。利用表面技术形成高熵合金渗镀层，既可以发挥和利用高熵合金的优势，有效克服成本和加工问题，又能够显著提高基体材料的抗高温氧化性能和抗辐照性能。
发明内容
本发明针对钨应用于高温等离子体的第一壁结构材料时抗氧化性能低的问题，提供一种钨合金表面高熵合金层的制备方法，利用双层辉光等离子冶金技术在钨基合金表面制备一层均匀、致密的高熵合金渗镀层，既能保证与基体具有良好的结合力，又能保证具备优良的抗高温氧化性能和抗辐照性能。
本发明采用如下技术方案：
一种钨合金表面高熵合金层的制备方法，包括如下步骤：
第一步，制备靶材，准备若干Ta、W、V和Cr四种金属棒，插入纯钛板上等间距孔洞，得到靶材板，用作合金源极；
第二步，钨合金工件表面预处理，对钨合金工件表面除油后，使用水磨砂纸逐级打磨并抛光，分别使用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，干燥备用；
第三步，将预处理好的钨合金基体放入真空腔对应的样品台上，样品台连接直流偏压电源，将准备好的靶材板挂在距钨合金工件10-20mm的源极位置，源极连接脉冲偏压电源；
第四步，打开冷却水循环系统，抽真空，当真空度<1Pa时，充入高纯氩气，反复多次使用氩气清洗真空腔体，最后将真空室气压抽至6.7×10-2Pa；
第五步，调节机械阀和充入气体流速调节工作气压到30-50Pa，开启源极和工件电源，分别调节若干次源极电压和工件电压，每次均使工件电压高于源极电压，在升温的过程中进行预溅射，去除靶材板表面的污染物；
第六步，待温度到达预设渗金属温度后，保持工件温度恒定的情况下，降低工件电压，同时升高源极电压，待源极电压为700-900V，工件电压为300-400V时，开始保温计时，保温过程中，通过调节源极电压和工件电压维持工件温度的稳定；
第七步，保温结束后，将源极电压和工件电压降为零，关闭电源，1h后关闭氩气，再过1h后关闭真空泵和冷却水循环系统，待工件冷却到室温时取出工件。
第一步中所述制备靶材，准备若干Ta、W、V和Cr四种金属棒，在纯钛板上加工若干等间距的用于固定四种金属棒的孔洞，将四种金属棒等比例循环排列的方式插入孔洞中，得到靶材板，用作合金源极。
第六步中所述预设渗金属温度为1000-1800℃，保温时间为1-5h。
本发明的有益效果如下：
本发明以多种金属元素作为欲渗合金元素，采用双层辉光等离子体渗金属技术在钨基合金表面渗镀高熵合金渗镀层。提供一种新型高熵合金抗辐照渗镀层及制备方法，既能保证与基体具有良好的结合力，又能保证具有优异的高温力学性能及抗辐照性能，为受控热控聚变反应装置第一壁结构材料提供新选择。
附图说明
图1为W-Ta-V-Cr高熵合金层的X射线衍射图；
图2为实施例1制备的高熵合金层和钨基体的划痕声发射图谱；
图3为实施例2制备的高熵合金层和钨基体的划痕声发射图谱；
图4为实施例3制备的高熵合金层和钨基体的划痕声发射图谱。
具体实施方式
实施例1
实例所用源极制备方式是：首先，准备若干尺寸相同的Ta、W、V、Cr四种金属棒，其次，在尺寸适合的纯钛板上加工出用于固定四种金属棒的孔洞，孔洞间距相同，最后将四种金属棒按等比例循环排列的方式插入纯钛板孔洞中，制备出合金源极。具体排列情况为：将Ta、W、V、Cr四种元素分别记作1、2、3、4，则金属棒从钛板左上角第一个孔洞开始，按123423413412412312342341……的顺序向四周排列，最后遍布整块钛板。实验过程中将制备好的源极靶材置于下方，钨合金工件用夹具置于靶材上方。
(1)钨合金工件表面预处理：对钨合金工件表面除油后使用水磨砂纸逐级打磨并抛光，分别使用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，干燥备用；
(2)将预处理好的钨合金基体放入真空腔对应的样品台上，样品台连接直流偏压电源；将准备好的针状靶材板挂在距工件15mm处的源极位置上，源极连接脉冲偏压电源，关闭金属炉真空腔体；
(3)打开冷却水循环系统，打开机械泵、电磁阀和机械阀，通过机械泵将真空气压抽至1Pa左右时，打开氩气阀，通过不断用氩气清洗真空室来使真空腔保持良好的气氛，最后将真空室气压抽至6.7×10-2Pa。
(4)调节机械阀和充入气体流速调节工作气压到40Pa，开启源极和工件电源，缓慢多次调节源极电压和工件电压，每次均使工件电压高于源极电压，在升温的过程中进行预溅射，其目的是去除工件和源极表面污染物，活化工件表面，增加扩散位点；
(5)待工件温度到达1000℃后，保持工件温度恒定的情况下，缓慢降低工件电压，同时升高源极电压，待到源极电压为700-900V，钨合金工件电压300-400V，产生空心阴极辉光放电现象；保温3h，被溅射出来的高熵合金粒子吸附在经过活化的钨合金表面，在化学势的作用下，高熵合金元素与钨基体元素发生互扩散，形成以扩散层为主的高熵合金渗镀层。
(6)保温结束后，将源极电压和工件电压降为零，关闭电源，1h后关闭氩气，再过1h关闭真空泵和冷却水循环系统。待工件冷却到室温时取出工件，实验结束。
实施例2
本实施方式与实施例1不同的是步骤（4）的工作温度为1100℃，其他步骤及参数与实施例1相同。
实施例3
本实施方式与实施例1不同的是步骤（4）的工作温度为1200℃，其他步骤及参数与实施例1相同。
将实例1、实例2及实例3得到的处理后的钨基合金材料进行XRD物相测试及结合力测试，在上述工艺条件下，可在钨合金表面制备高熵合金层，且合金涂层与基体的结合力良好。图1显示钨基体表面合金化处理后W-Ta-V-Cr高熵合金层的X射线衍射图，图2显示实施例1处理后钨合金的载荷-声发射信号、载荷-摩擦系数曲线，图3显示实施例2处理后钨合金的载荷-声发射信号、载荷-摩擦系数曲线，图4显示实施例3处理后钨合金的载荷-声发射信号、载荷-摩擦系数曲线，声发射信号发生剧烈变化对应的载荷均处于较高负载，因此渗镀层与基体的结合良好。

Claims (2)

1.一种钨合金表面高熵合金层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，制备靶材，准备若干Ta、W、V和Cr四种金属棒，在纯钛板上加工若干等间距的用于固定四种金属棒的孔洞，将四种金属棒等比例循环排列的方式插入孔洞中，得到靶材板，用作合金源极；
第二步，钨合金工件表面预处理，对钨合金工件表面除油后，使用水磨砂纸逐级打磨并抛光，分别使用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，干燥备用；
第三步，将预处理好的钨合金基体放入真空腔对应的样品台上，样品台连接直流偏压电源，将准备好的靶材板挂在距钨合金工件10-20mm的源极位置，源极连接脉冲偏压电源；
第四步，打开冷却水循环系统，抽真空，当真空度<1Pa时，充入高纯氩气，反复多次使用氩气清洗真空腔体，最后将真空室气压抽至6.7×10-2Pa；
第五步，调节机械阀和充入气体流速调节工作气压到30-50Pa，开启源极和工件电源，分别调节若干次源极电压和工件电压，每次均使工件电压高于源极电压，在升温的过程中进行预溅射，去除靶材板表面的污染物；
第六步，待温度到达预设渗金属温度后，保持工件温度恒定的情况下，降低工件电压，同时升高源极电压，待源极电压为700-900V，工件电压为300-400V时，开始保温计时，保温过程中，通过调节源极电压和工件电压维持工件温度的稳定；
第七步，保温结束后，将源极电压和工件电压降为零，关闭电源，1h后关闭氩气，再过1h后关闭真空泵和冷却水循环系统，待工件冷却到室温时取出工件。
2.根据权利要求1所述的一种钨合金表面高熵合金层的制备方法，其特征在于：第六步中所述预设渗金属温度为1000-1800℃，保温时间为1-5h。
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