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传统的制备钨涂层方法包括:等离子喷涂、热喷涂、熔盐电镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。其中,化学气相沉积以钨涂层纯度和致密度高的优点格外引人关注。近年来在国际热核聚变堆中将钨用于面向等离子体第一壁涂层材料已引起了世界范围内的关注和重视,其厚度要求大于1mm,且需要承受高能粒子及高热量冲击,对纯度和致密度的要求很高,化学气相沉积无疑是最具有潜力的方法。根据可掌握的资料,对化学气相沉积厚钨涂层的原料制备、涂层制备、涂层抗热负荷性能检测等系统性研究还开展得较少。
本文研究了六氟化钨的制备方法,并以自制高纯六氟化钨为原料,采用化学气相沉积方法成功得到了厚钨涂层。研究了沉积工艺对涂层的沉积速率、微观组织等的影响,并对涂层的基本物性和重要力学、热学性能进行了分析,为进一步将此技术应用于制备面对等离子体第一壁材料提供了技术依据。取得的主要研究成果如下:
1.采用电解无水氟化氢的方法,成功得到了氟气,与氟化反应过程配合最佳的电解电流为3500A;采用氟化钠吸附配合氟气深度冷冻工艺,有效降低了氟气中的HF含量,当氟化钠温度在80~120℃,氟气深冷温度控制在-160~-170℃时,初级产品中的HF含量可降低到210ppmv以下;
2.利用氟气与钨粉反应,得到了初级六氟化钨,当反应温度为300℃,冷凝温度为-20℃时,具有最佳的反应效率及直收率;采用反复冷冻、抽真空的方法对初级六氟化钨提纯得到了高纯六氟化钨,经过3~5次循环,六氟化钨纯度可达99.99%以上;
3.利用自行设计的开式沉积炉,以自制高纯六氟化钨和氢气为原料,在无氧铜表面沉积了厚钨涂层;研究发现,温度的升高和氢气比例的升高可以提高沉积速率,但也会造成晶粒尺寸的增大及表面平整度的降低,当沉积温度在550℃,WF6与H2两者比例为1∶3时,所获得的钨涂层具有适宜的沉积速率,较好的表面平整性以及由均匀、一致柱状晶组成的内部组织结构;经检测,钨涂层的厚度超过1mm,密度在19.2g/cm3以上,纯度达到了99.9999%以上;
4.所制备厚钨涂层硬度在400~450HV之间,热导率及热膨胀系数与加工态纯钨差别不显著;与基体在室温下的结合强度大于50MPa,裂纹阈值约为2MJ/m2,高于锻造态纯钨材料;样品在11MW/m2的热流条件下,经历1000次循环未发生失效,具有较好的抗热冲击性能。