專利名稱：一種提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于涂層材料領(lǐng)域，具體涉及一種提高真空等離子體噴涂鎢 涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法。
背景技術(shù)：
鎢是一種難熔的稀有金屬材料，具有高熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)、高硬度、低的熱膨脹系數(shù)的物理性能和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。因其特殊的物理和化學(xué)性能，鎢被廣泛地應(yīng)用于電子、冶金、石油、航天等領(lǐng)域。隨著核聚變研究的發(fā)展，用于聚變裝置的材料亦成為聚變研究的關(guān)鍵問題之一。其中與等離子體直接接觸的材料被稱為面對(duì)等離子體材料(Plasma-facing material, PFM)，需要直接承受高熱通量、高能粒子輻照、機(jī)械與熱應(yīng)力腐蝕等多種苛刻作用。鎢材料具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)、高物理濺射閾值和無化學(xué)濺射等優(yōu)良性能，被認(rèn)為是最有希望的面對(duì)等離子體材料[G. Janeschiz，P. Barabaschi，G. Federici， Therequirements of a next step large steady state tokamak, Nuclear Fusion, 2000(40) 1197-1221. ]0但鎢材料存在加工性能差、力學(xué)強(qiáng)度不高等缺點(diǎn)，使其在工程應(yīng)用上受到一定的限制。以銅合金熱沉材料為基材在其表面制備鎢涂層，是解決這一問題的有效方案。鎢涂層的制備方法主要有化學(xué)氣相沉積(Chemical vapor exposition，CVD)、物理氣相沉積(Physical vapor deposition, PVD)和等離子體噴涂(Plasma spraying, PS) 等。相比較CVD和PVD方法，等離子體噴涂技術(shù)具有可制備厚涂層(大于0. 5mm)、適合大面積制造、經(jīng)濟(jì)性良好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)制備的涂層還具有厚度可控、氣孔率較低等特點(diǎn)。因此，等離子體噴涂方法被認(rèn)為是最有前景的鎢涂層制備方法[jMat§ji6ek,P. Chraska, J. Linke, Thermal spray coating for fusion applications-review, Journal of Thermal Spray Technology,2007(16)64-83.]。以銅合金熱沉材料為基體制備鎢涂層有兩個(gè)方面的要求，一是涂層的熱導(dǎo)率高， 另一方面是涂層與基體材料的結(jié)合良好。采用真空等離子體噴涂技術(shù)，通過工藝優(yōu)化，制備的涂層氣孔率低，且避免了在大氣環(huán)境噴涂過程中的氧化現(xiàn)象，雜質(zhì)含量低，具有較高的熱導(dǎo)率[Y. Niu, X. Zheng, H. Ji, C. Ding, J. Chen, Y. Yahiro, N. Yoshida, Characterization of Thick Vacuum Plasma Sprayed Tungsten Coatings onffater-cooled Copper Alloy Substrate,NIFS Proceedings 2009 (76) 123-127.]。但鎢涂層與銅合金基材間的熱膨脹系數(shù)存在明顯差異。涂層與基材之間的熱膨脹系數(shù)失配，導(dǎo)致噴涂過程中熱應(yīng)力在二者界面處集中，影響涂層與基材的結(jié)合。有人采用Cu-W梯度過渡層(Cu與W粉質(zhì)量比分別為1 1， 1 2，1 3)在銅合金表面制備真空等離子體噴涂鎢涂層，提高了鎢涂層和銅合金基材的結(jié)合性能，可達(dá)40MPa[Deyang Hu,Xuebin Zheng,Yaran Niu,Heng Ji,Fali Chong，Junling Chen, Effect of oxidationbehavior on the mechanical and thermal properties of plasma sprayed tungstencoatings. Journal of Thermal Spray Technology,17(2008)377-384.]。但該方法需要制備多層過渡層才能達(dá)到明顯效果，工藝過程復(fù)雜，易于導(dǎo)致涂層的雜質(zhì)含量增加。同時(shí)，鎢的密度和銅的密度差異顯著，噴涂工藝參數(shù)較難控制，所制備的Cu-W中間層結(jié)構(gòu)不均勻，結(jié)合性能不夠穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題一種提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法，其特征在于，在鎢涂層與銅合金基材間采用Cu(銅)-Mo(鉬)復(fù)合中間層。所述Cu-Mo復(fù)合中間層是指將銅粉和鉬粉按比例混合后，經(jīng)真空等離子體噴涂在銅合金基材表面形成的涂層。所述鎢涂層是指將鎢粉經(jīng)真空等離子體噴涂在Cu-M0復(fù)合中間層表面形成的涂層。較佳的，所述銅粉的粒徑為20 100 μ m,所述鉬粉的粒徑為10 80 μ m,所述鎢粉的粒徑為10 70μπι。優(yōu)選的，以所述Cu-Mo復(fù)合中間層的總質(zhì)量計(jì)，所述銅的質(zhì)量百分比為10% 50%，所述鉬的質(zhì)量百分比為50% 90%。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述Cu-Mo復(fù)合中間層的厚度為50 200微米，所述鎢涂層的厚度為200 1000微米。優(yōu)選的，所述含提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法包括如下步驟1)銅粉和鉬粉按比例配料后混合均勻；2)噴涂時(shí)，將銅合金基材進(jìn)行清洗、噴砂等預(yù)處理，采用真空等離子體噴涂方法制備一層厚度為50 200微米的Cu-Mo復(fù)合涂層，然后再噴涂一層厚度為200 1000微米的鎢涂層，即可得到含有Cu-Mo復(fù)合中間層的鎢涂層。較佳的，步驟1)中，所述銅粉的粒徑為20 100 μ m，所述鉬粉的粒徑為10 80 μ m,所述鎢粉的粒徑為10 70 μ m。優(yōu)選的，步驟幻中，所述Cu-Mo復(fù)合涂層的等離子體噴涂工藝參數(shù)為等離子體氣體Ar的流量為30 50slpm(標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘)，等離子體氣體H2的流量為6 lklpm，噴涂功率為30 50kW，噴涂壓力為100 400mbar，粉末載氣Ar的流量為2 7slpm，噴涂距離為150 350mm，送粉速率為8 !35g · mirT1。優(yōu)選的，步驟2)中，所述鎢涂層的等離子體噴涂工藝參數(shù)為等離子體氣體Ar的流量為30 50slpm(標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘)，等離子體氣體H2的流量為6 lklpm，噴涂功率為 35 60kW，噴涂壓力為100 900mbar，粉末載氣Ar的流量為2 8slpm，噴涂距離為150 350mm，送粉速率為5 35g · mirT1。本發(fā)明的原理參考如下幾方面1、鉬的線性熱膨脹系數(shù)介于鎢和銅合金之間，與鎢比較接近。圖1中顯示了鉬、鎢、 銅三種材料線性熱膨脹系數(shù)的比較[Y. S. Touloukian, R. K. Kirby, R. E. Taylor, P. D. Desai， Thermophysical properties of mater, Vol. 12 thermal expansion-metallicelementsand alloys, IFI/Plenum, New York，1975.]。采用Cu-Mo復(fù)合涂層作為中間層，可通過設(shè)計(jì)Cu和Mo元素的組分配比改變Cu-Mo復(fù)合涂層的線性熱膨脹系數(shù)，緩和鎢涂層與銅合金基材之間熱膨脹系數(shù)失配問題，減少熱應(yīng)力集中，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。2、鉬的熱導(dǎo)率較高，與鎢的熱導(dǎo)率很接近，圖2顯示了鉬、鎢、銅三種材料的熱導(dǎo)率隨溫度的變化[Y. S. Touloukian, R.W.Powell，C. Y. Ho, P. G. Klemens, Thermophysical properties of matter. Vol. 1 :thermal conductivity-metallic elementsand alloys, IFI/Plenum, New York, 1970.]。采用Cu-Mo復(fù)合涂層作為中間層具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率，有利于熱通量的散失，減少熱應(yīng)力的集中。3、鉬的密度和銅合金比較接近，圖3顯示了鉬、鎢、銅三種材料的密度比較[中國(guó)材料工程大典編委會(huì)，中國(guó)材料工程大典，第4和第5卷，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2006.]。這有利于噴涂工藝參數(shù)的控制，制備的中間層組分和顯微結(jié)構(gòu)較為均勻。4、鉬和鎢，均屬于元素周期表第VI副族元素，具有良好的化學(xué)相容性，為改善鎢涂層與銅合金基材之間的結(jié)合提供了保證。圖4所示的示意圖為本發(fā)明的構(gòu)思。噴涂前，將一定組成的銅粉和鉬粉混合均勻， 備用。噴涂時(shí)，將銅合金基材進(jìn)行清洗、噴砂等預(yù)處理，采用真空等離子體噴涂方法制備一層Cu-Mo復(fù)合涂層，然后再進(jìn)行鎢涂層的噴涂，即可得到含有Cu-Mo復(fù)合中間層的鎢涂層。本發(fā)明提供了一種提高真空等離子體噴涂鎢(W)涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法。利用本發(fā)明提供的方法，通過工藝參數(shù)的控制可使制備的W涂層與銅合金基材間的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到 40MPa以上，同時(shí)含中間層的涂層具有結(jié)構(gòu)均勻、熱導(dǎo)率高、工藝制備過程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。


圖1為鉬、鎢、銅三種材料線性熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化。圖2為鉬、鎢、銅三種材料的熱導(dǎo)率隨溫度的變化。圖3為鉬、鎢、銅三種材料的密度比較。圖4為含有Cu-Mo復(fù)合中間層的鎢涂層示意圖。圖5為實(shí)施例1所制備的含質(zhì)量比30% Cu-70% Mo復(fù)合中間層的鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度圖中左面方框?yàn)椴缓虚g層的鎢涂層的結(jié)合強(qiáng)度值，右面方框?yàn)楹?0% Cu-70% Mo 復(fù)合中間層的鎢涂層的結(jié)合強(qiáng)度值。圖6為實(shí)施例2所制備的含質(zhì)量比50% Cu-50% Mo復(fù)合中間層的鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度圖中左面方框?yàn)椴缓虚g層的鎢涂層的結(jié)合強(qiáng)度值，右面方框?yàn)楹?0% Cu-50% Mo 復(fù)合中間層的鎢涂層的結(jié)合強(qiáng)度值。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)方案。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下面通過實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的特點(diǎn)和效果。絕非限制本發(fā)明。實(shí)施例1 采用粒徑為30-60 μ m的鉬粉和10_70 μ m的銅粉，按銅粉和鉬粉質(zhì)量比為30% 70%混合均勻，作為中間層噴涂用粉末。采用粒徑為5-50 μ m的鎢粉作為鎢涂層噴涂粉體。以經(jīng)過噴砂處理、酒精超聲清洗的銅合金作為基體材料。將真空室的真空度降至0. Imbar以下后，充保護(hù)氣體Ar氣至一定的壓力。在表2所示的噴涂工藝參數(shù)下，采用瑞士 Sulzer Metco公司的真空等離子體噴涂系統(tǒng)先將Cu-Mo復(fù)合涂層噴涂于銅合金基材表面，然后再噴涂鎢涂層。為了比較本發(fā)明的效果，同時(shí)制備了不含中間層的鎢涂層。應(yīng)用 ASTMC-633方法測(cè)定了涂層的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果見圖5。所述Cu-Mo復(fù)合中間層的厚度為120 微米，所述鎢涂層的厚度為300微米。從圖5可見，在有30% Cu-70% Mo復(fù)合中間層的情況，鎢涂層與銅合金的平均結(jié)合強(qiáng)度從34MPa增大到42MPa，提高幅度為23. 5%。表2真空等離子體噴涂工藝參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法，其特征在于，該方法在鎢涂層與銅合金基材間采用Cu-M0復(fù)合中間層。
2.如權(quán)利要求1中所述的提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法，其特征在于，所述Cu-Mo復(fù)合中間層是指將銅粉和鉬粉按比例混合后，經(jīng)真空等離子體噴涂在銅合金基材表面形成的涂層，所述鎢涂層是指將鎢粉經(jīng)真空等離子體噴涂在Cu-Mo復(fù)合中間層表面形成的涂層。
3.如權(quán)利要求2中所述的提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法，其特征在于，所述銅粉的粒徑為20-100μπι，所述鉬粉的粒徑為10-80μπι，所述鎢粉的粒徑為 10-70 μ Hio
4.如權(quán)利要求1中所述的提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法，其特征在于，以所述Cu-Mo復(fù)合中間層的總質(zhì)量計(jì)，所述銅的質(zhì)量百分比為10% -50%，所述鉬的質(zhì)量百分比為50% -90%。
5.如權(quán)利要求1-4中任一所述的提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法，其特征在于，所述Cu-Mo復(fù)合中間層的厚度為50-200微米，所述鎢涂層的厚度為200-1000微米。
6.如權(quán)利要求1中所述的提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法，其特征在于，包括如下步驟1)銅粉和鉬粉按比例配料后混合均勻；2)噴涂時(shí)，將銅合金基材進(jìn)行清洗、噴砂預(yù)處理，采用真空等離子體噴涂方法制備一層厚度為50-200微米的Cu-Mo復(fù)合涂層，然后再噴涂一層厚度為200-1000微米的鎢涂層，即可得到含有Cu-Mo復(fù)合中間層的鎢涂層。
7.如權(quán)利要求6中所述的提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法，其特征在于，步驟2)中，所述Cu-Mo復(fù)合涂層的等離子體噴涂工藝參數(shù)為等離子體氣體Ar的流量為30-50slpm，等離子體氣體H2的流量為6_15slpm，噴涂功率為30_50kW，噴涂壓力為100-400mbar，粉末載氣Ar的流量為2-7slpm，噴涂距離為150_350mm，送粉速率為 8_35g · mirf1。
8.如權(quán)利要求6中所述的提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法，其特征在于，步驟2)中，所述鎢涂層的等離子體噴涂工藝參數(shù)為等離子體氣體Ar的流量為30-50slpm，等離子體氣體H2的流量為6_15slpm，噴涂功率為35_60kW，噴涂壓力為100-900mbar，粉末載氣Ar的流量為2-8slpm，噴涂距離為150_350mm，送粉速率為 5_35g · mirf1。
全文摘要
本發(fā)明屬于涂層材料領(lǐng)域，具體涉及一種提高真空等離子體噴涂鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法。本發(fā)明中的方法為采用Cu-Mo復(fù)合涂層作為W涂層與銅合金基材間的中間層，且所述中間層的厚度為50-200μm。利用本發(fā)明提供的方法，通過工藝參數(shù)的控制可使制備的W涂層與銅合金基材間的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到40MPa以上，同時(shí)含中間層的涂層具有結(jié)構(gòu)均勻、熱導(dǎo)率高、工藝制備過程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B32B15/01GK102312186SQ2010102164
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者丁傳賢, 季珩, 牛亞然, 鄭學(xué)斌, 黃利平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所