CN1361307A - 一种碳化硼/铜涂层功能梯度材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种耐高温等离子体冲刷的碳化硼/铜涂层功能梯度材料,采用梯度材料的设计思想以确定合适的成分分布指数,对于碳化硼/铜梯度涂层,最顶层为纯B4C,最底层为纯铜,中间则为碳化硼/铜过渡成分,采用C=(x/d)p公式计算各成分的含量。利用大气等离子喷涂设备制备热应力缓和型碳化硼/铜涂层功能梯度材料。其优点在于:具有低的化学溅射产额和热解吸,有很好的抗热冲击性,适于耐高温等离子体冲刷部件,如核聚变装置中的第一壁材料。

Description

一种碳化硼/铜涂层功能梯度材料及制备方法
本发明涉及一种涂层功能梯度材料及其制备方法。
碳化硼(B4C)是一种共价键极强的非氧化物陶瓷，具有高熔点，高硬度，化学稳定，耐磨损，抗辐照以及能吸收中子等特点，尤其是B4C属于低原子序数材料且具有较好的耐辐照能力而很有希望作为面向等离子体材料应用于核聚变装置中。铜(Cu)则是一种熔点较低但导热性非常好的金属，表1列出了这两种材料的主要物理性质对比。在许多场合中，如处于高能粒子冲刷的高温环境中常需要将二者结合起来使用。
          表1 B4C与Cu的主要物理性质对比材料       密度      熔点      热导率      热膨胀系数
      (g/cm3)   (℃)      (W/mk)        (K-1)B4C       2.51      2450        42           4.5Cu         8.9       1083        393          17
面向等离子材料(Plasma Facing Material，PFM)指直接面向高温等离子体的材料。例如目前的聚变堆设计概念，以氘，氚为燃料。氘，氚聚变反应产生14.1MeV的高能中子和3.5MeV的α粒子，它们和其它从等离子体逃逸的粒子(氚，氘和杂质)及电磁辐射一起，强烈作用于第一壁材料(First Wall Materials)。在发生等离子体破裂和垂直位移事件时，暴露于高热流的PFM表面承受来自高温等离子体、高能中子、α粒子、氘、氚及电磁辐射等的冲刷，而它的另一面必须被强制冷却。因此PFM必须具备以下性能要求：1，具有高熔点和很好的抗热冲击性。2低溅射产额，也就是由物理溅射、化学溅射和辐照增强升华所产生的杂质的数量要低。3较低的氢(氘、氚)再循环作用，也就是对氢(氘、氚)较低的吸放气性。4低放射性。B4C被认为是最有希望用作PFM的材料。它具有很好的耐氢(氘、氚)冲刷的能力，低的化学、物理溅射产额及辐照增强的升华，对氢(氘、氚)再循环可进行较好的控制。制备这样的材料行之有效的一种方法是等离子体喷涂法，即采用等离子喷涂技术在高导热金属基体上喷涂一层碳化硼涂层。由于具有制备方便，修复简单且可以进行原位修复等优点，等离子体喷涂制备B4C涂层作为PFM显示了强大的生命力和潜力。
Lipa等人[Fusion Technology，1995，Blsevier Science B.V.]报道了采用等离子喷涂技术制备的厚度为200μm的B4C涂层作为PFM应用于TORESUPRA(TS)托卡马克装置。H.Bolt等人(J.Nucl Mater，Vol233～237(1996)：809)在316不锈钢上以Cu作过渡层，用等离子喷涂法沉积了1.2mm厚的B4C涂层。作为面向等离子材料，用于托卡马克核聚变实验装置，这种厚B4C涂层在自由边界容易引起剥落，剥落过程伴随裂纹在B4C层中形成。我国上海硅酸盐研究所曾毅等人(无机材料学报，1998，13(6)：918～922)也利用大气等离子喷涂技术以不锈钢为基体制备了B4C涂层。
但是，这种方法的难点在于：1)碳化硼的高熔点和高比热，很难熔化，难以制得致密的碳化硼涂层。2)碳化硼在高温下会发生氧化，通常不能在大气中喷涂。但是，碳化硼在真空喷涂时，由于喷涂压力低，火焰的能量密度低，会导致高熔点碳化硼颗粒的熔化不理想，不能得到致密的涂层，而且，真空等离子喷涂设备复杂而且昂贵。3)由于碳化硼与铜(或其它金属基体)的热膨胀系数相差较大，常会在基体与涂层之间产生大的热应力，造成涂层与界面之间产生裂纹，甚至使涂层剥落。从而影响了这种材料的实际使用。这也是这种材料在实际应用中面临的最大问题。因此制备这种材料时应注意涂层-过渡层-基体三者界面边缘的应力，设计更加合理的结构。
梯度功能材料是二十世纪八十年代中后期发展起来的一种新型复合材料，是一种组分、结构和物性参数都呈连续变化或阶梯变化的高性能材料。采用梯度材料设计思想可以有效地缓和由于热膨胀系数不匹配造成的热应力问题。
本发明的目的在于：提供一种耐高温等离子体冲刷碳化硼/铜涂层功能梯度材料及其制备方法。通过采取一定的气氛保护手段保护涂层不致发生氧化以及通过梯度成分的设计，利用大气等离子喷涂技术制备得到一种热应力缓和型的碳化硼/铜梯度涂层。
本发明的构成为：
1、成分设计
对于碳化硼/铜梯度涂层，最顶层为纯B4C，最底层为纯铜，中间则为碳化硼/铜过渡成分，当过渡成分具有不同的成分分布时，热应力缓和的效果会有明显差别，为了考察不同梯度成分与热应力缓和效果之间的关系，采用如下公式计算不同梯度层中各成分的含量：
                           C＝(x/d)p其中，C为体积分数，x为各梯度层与表面层之间的距离，d为样品的厚度，p为成分分布指数。厚度d和成分分布指数p可根据具体需要选取。我们对p＝0～2的碳化硼/铜梯度涂层进行了实验，根据测试结果，当p＝1时，制备得到的碳化硼/铜梯度涂层具有最佳性能。
2、喷涂材料的准备
采用的B4C粉末纯度＞97％，粒度＜60μm(平均粒度为25.2μm)，铜粉纯度为＞99.9％，粒度＜44μm。根据成分设计计算得到各层B4C/Cu混合粉末的配比，分别球磨混匀。喷涂基体采用无氧铜板。对基体进行喷沙处理和酒精清洗。
2、喷涂
采用通用的大气等离子体喷涂的设备即可，要求设备的功率50KW～200KW。喷涂设备包括电源、电气控制系统、喷枪、送粉器、气路和水路系统等部分组成，采用氩气为喷涂主气；氢气为辅气，以提高喷涂功率并防止涂层基体氧化；在喷涂工作台周围布置喷气管，并由输气管道连接至氩气和氮气气瓶，这样可以在喷涂基体周围喷入具有一定压力的氩气及氮气，使基体和涂层处于氩气及氮气气氛保护下，起到冷却基体，并防止基体和涂层氧化的作用。喷涂参数如表2所示。依次喷涂Cu粉，各层B4C/Cu混合粉末以及纯B4C粉。
                             表2喷涂参数
设备型号 PT-A-3000S
喷涂参数 主气流量  辅气流量  喷涂功率  送粉量  喷涂距离  扫描速度
35～45L/min  5～10L/min  30～50kW  15～30g/min  8～15cm  10～30cm/s
本发明的优点在于：通过采取利用氩气和氮气作为保护气氛兼具冷却基体和保护碳化硼涂层不发生氧化的作用，利用简单的大气等离子体喷涂技术制备碳化硼涂层，并采用梯度材料的设计思想制备碳化硼/铜梯度涂层，以解决碳化硼和铜由于热膨胀系数不匹配而造成的热应力问题。
实施例：p＝0.2，p＝1，p＝2的B4C/Cu梯度涂层的比较
利用上述方法制备了p＝0.2，p＝1，p＝2的碳化硼/铜梯度涂层，总层数选为5层，各层碳化硼含量如表3所示。为了对比并制备了碳化硼的单层涂层(BC-1)。各涂层的厚度及喷涂参数如表4所示。采用拉伸法对涂层与基体之间的结合强度进行了测试，结果如表5所示，可知，样品BC-3(即p＝1的梯度涂层)的结合强度最高。
         表3各层B4C含量的重量(体积)百分数样品号    P        各层B4C的重量(体积)百分比Wt.(vol.)％
          第一层    第二层    第三层    第四层    第五层BC-1      -     0       -         -         -         100BC-2      0.2   0       58.38(83) 72.38(90) 86.08(96) 100BC-3      1     0       15.82(40) 29.72(60) 53.01(80) 100BC-4      2     0       5.10(16)  13.69(36) 33.39(64) 100
                   表4喷涂参数及涂层厚度设备型号    PT-A-3000S喷涂参数    主气流量  辐气流量  喷涂功率  送粉量    喷涂距离  扫描速度
        40L/min   7L/min    40kW      20g/min   10cm      20cm/s样品号             BC-1        BC-2        BC-3          BC-4基体尺寸           无氧铜板，φ70mm×5mmCu涂层的厚度       ～200μm    ～200μm      ～200μm      ～200μmB4C/Cu涂层的厚度   0           300～400μm   300～400μm   300～400μmB4C涂层的厚度      250～300μm 250～350μm   250～500μm   250～350μm表5 B4C涂层的结合强度样品号          BC-1    BC-2    BC-3    BC-4结合强度，MPa   7.92    9.23    10.03   7.03
对样品BC-2，BC-3，BC-4采用淬水法作了初步热震性实验，温差为500K，经过2次和5次循环后，BC-2和BC-4的涂层分别完全剥落，而BC-3的涂层经过20次循环后虽然肉眼可见表面裂纹，但仍然没有发生剥落。说明p＝1的梯度涂层具有最佳抗热震性。对样品BC-1和BC-3采用电子束辐照法进行了热冲击实验，测试参数如下：辐照次数：30，脉冲宽度：2ms，电流强度：400mA，电子束能量：5KeV。测试后发现BC-1表面出现了裂纹，而BC-3表面没有出现破坏。这说明具有梯度涂层设计的涂层抗热冲击性优于非梯度涂层。
对样品BC-3的抗热冲击性，化学溅射和热解吸测试显示：该材料在热流为100MW/m2条件下，经过140次循环未损坏。该材料的化学溅射产额降低为二次纯化石墨(SMF-800)的17％，热解吸降低为SMF-800的30～50％。

Claims (2)

1、一种碳化硼/铜涂层功能梯度材料，其特征在于：成分设计：对于碳化硼/铜梯度涂层，最顶层为纯B4C，最底层为纯铜，中间则为碳化硼/铜过渡成分，采用C＝(x/d)p公式计算不同梯度层中各成分的含量，其中，C为体积分数，x为各梯度层与表面层之间的距离，d为样品的厚度，p为成分分布指数。厚度d和成分分布指数p可根据具体需要选取。
2、一种碳化硼/铜涂层功能梯度材料的制备方法，采用的B4C粉末纯度＞97％，粒度＜60μm(平均粒度为25.2μm)，铜粉纯度为＞99.9％，粒度＜44μm。根据成分设计计算得到各层B4C/Cu混合粉末的配比，分别球磨混匀；喷涂基体采用无氧铜板，对基体进行喷沙处理和酒精清洗；采用通用的大气等离子体喷涂设备，要求设备的功率大于50KW，采用氩气为喷涂主气；氢气为辅气，以提高喷涂功率并防止涂层基体氧化；其特征在于：在喷涂工作台周围布置喷气管，并由输气管道连接至氩气和氮气气瓶，这样可以在喷涂基体周围喷入具有一定压力的氩气及氮气，使基体和涂层处于氩气及氮气气氛保护下，起到冷却基体，并防止基体和涂层氧化的作用；喷涂参数为：主气流量：35～45L/min，辅气流量：5～10L/min，喷涂功率：30～50kW，送粉量：15～30g/min，喷涂距离：8～15cm扫描速度：10～30cm/s，依次喷涂Cu粉，各层B4C/Cu混合粉末以及纯B4C粉。
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