一种钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的制造方法，该方法为：一、将铁素体钢靶材和钨靶材置于真空室中的水冷铜坩埚中，将铁素体钢基体采用辉光等离子清洗后水平置于铁素体钢靶材和钨靶材的上方；二、采用电子束加热蒸发铁素体钢靶材和钨靶材，在铁素体钢基体的下表面制备铁素体钢与钨成分梯度过渡的界面层；三、停止加热蒸发铁素体钢靶材，继续采用电子束加热蒸发钨靶材，在界面层的下表面连续制备钨涂层，得到钨涂层铁素体钢第一壁部件。采用本发明专利技术的方法制造的钨涂层达到理论密度，钨涂层与铁素体钢基体之间存在成分梯度过渡的界面层，制造的钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件具有很好的抗热负荷过程中的热震应力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于核聚变反应堆第一壁部件制造
，具体涉及一种钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的制造方法。
技术介绍
受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。钨具有高熔点、低化学物理溅射产额、耐中子辐照和低氚滞留等优异性能，氧化物弥散强化(Oxide dispersion strengthening, 0DS)铁素体钢具有优异的抗辐照肿胀性能。钨涂层ODS铁素体钢是最有希望的受控热核聚变堆面对等离子体第一壁部件。然而，要将钨和ODS铁素体钢这两种性质差异很大的金属连接起来作为第一壁部件难度很大。公开号为CN101567225A的专利技术专利制造钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的方法是在ODS铁素体钢上刻网状沟槽，然后在其上采用等离子喷涂方法制造钨涂层。公开号为 CN1755840A的专利技术专利制造钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的方法是在ODS铁素体钢上采用真空等离子喷涂方法制造ODS铁素体钢和钨梯度变化的中间适配层，然后在其上真空等离子喷涂钨涂层。然而，等离子喷涂方法制造的W涂层晶粒结构为层状，涂层内聚强度低， 且钨涂层与ODS铁素体钢界面结合强度低，热负荷过程中拉应力与压应力的循环变化导致分层、熔化，污染等离子体；等离子喷涂方法制造的W涂层的一般孔隙率大于2. 0%，其导热系数低，难以承受较高的热负荷。公开号为CN101845578A的专利技术专利采用焊接方法制造钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件。这种方法使钨涂层与ODS铁素体钢直接连接，界面结合强度低，热负荷过程中热应力易导致界面开裂失效。公开号为CN101704160A的专利技术专利公开了一种钨与铜及其合金异种金属连接方法，通过在钨与铜及其合金之间电镀一层镍然后通过焊接来提高界面结合强度。然而，热负荷过程中镍与钨生成金属间化合物，导致界面消耗和脆化，多次热负荷后将导致界面开裂失效。文献 1 (J Boscary, S Suzuki, K Nakamura et al. Thermal fatigue tests on CVD-W/Cu divertor mock-ups. Fusion Engineering and Design，1998，39-40 :537-542.) 采用化学气相沉积(CVD)方法在无氧铜和W-30Cu基体上制造钨涂层。若采用这种方法制造钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件，将使钨涂层与ODS铁素体钢直接连接，界面结合强度低， 热负荷过程中热应力易导致界面开裂失效。文献 2(Y Itoh, M Takahashi, H Takano. Design of tungsten/copper graded composite for high heat flux components.Fusion Engineering and Design， 1996,31 :279-289)、文献 3(R Jedamzik, A Neubrand，J Rodel. Characterization of electrochemicalIy processed graded tungsten/copper composites. Materials Science Forum，1999，308-311 :782-787)釆用先制造钨骨架再渗铜的方法制造钨/铜梯度材料。若釆用这种方法制造钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件，不但面临中渗ODS铁素体3钢温度高、工艺复杂、成本高的问题，且难以获得理想的成分设计梯度，使制造的钨涂层ODS 铁素体钢第一壁部件难以满足受控热核聚变堆面对等离子体的高热负荷要求。公开号为CN1336249A的专利技术专利公开了一种具有递变电阻及高熔点差材料的制造工艺。采用这种方法制造钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件，难以制造大尺寸曲面部件， 且制造的材料不致密，难以满足受控热核聚变堆面对等离子体部件的大尺寸和高热负荷要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种工艺简单、 可靠的钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的制造方法。该方法采用电子束加热蒸发方法在 ODS铁素体钢基体上制备ODS铁素体钢与钨成分梯度过渡的界面层和钨涂层，制造的钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件可广泛用作聚变堆实验装置和未来商用聚变堆第一壁部件。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是一种钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 步骤一、将ODS铁素体钢靶材和钨靶材置于真空室中的水冷铜坩埚中，将ODS铁素体钢基体采用辉光等离子清洗后水平置于ODS铁素体钢靶材和钨靶材的上方；所述真空室的真空度不大于2 X 10_2Pa;步骤二、采用电子束加热蒸发步骤一中所述ODS铁素体钢靶材和钨靶材，在步骤一中所述ODS铁素体钢基体的下表面制备ODS铁素体钢与钨成分梯度过渡的界面层；步骤三、停止加热蒸发步骤二中所述ODS铁素体钢靶材，继续采用电子束加热蒸发步骤二中所述钨靶材，在步骤二中所述界面层的下表面连续制备钨涂层，得到钨涂层ODS 铁素体钢第一壁部件。上述的一种钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的制造方法，步骤一中所述ODS铁素体钢靶材和钨靶材的上表面与ODS铁素体钢基体的下表面之间的距离为200mm 500mm。上述的一种钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的制造方法，步骤二中所述加热蒸发的时间为IOmin 50min。上述的一种钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的制造方法，步骤二中所述加热蒸发钨靶材的电子束功率由20kW 40kW增加至50kW 70kW，加热蒸发ODS铁素体钢靶材的电子束功率由40kW 50kW降至IOkW 20kW。上述的一种钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的制造方法，步骤三中所述加热蒸发钨靶材的电子束功率为50kW 70kW，加热蒸发时间为500min 750min。本专利技术与现有技术相比具有以下优点1、本专利技术采用电子束加热蒸发方法在ODS铁素体钢基体上制备ODS铁素体钢与钨成分梯度过渡的界面层和钨涂层，工艺简单、可靠，制造的钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件可广泛用作聚变堆实验装置和未来商用聚变堆第一壁部件。2、采用本专利技术的方法制造的钨涂层达到理论密度，钨涂层与ODS铁素体钢基体之间存在成分梯度过渡的界面层，界面层物理化学性能稳定，界面结合强度高，制造的钨涂层 ODS铁素体钢第一壁部件具有很好的抗热负荷过程中的热震应力。3、采用本专利技术的方法能够对界面层进行成分、显微结构设计制造，并能对钨涂层的显微结构进行设计制造。4、本专利技术的方法能够实现在大面积ODS铁素体钢基体上制造厚钨涂层。下面结合附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术制造的钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的结构示意图。附图标记说明1-0DS铁素体钢基体； 2-界面层； 3-钨涂层。具体实施例方式实施例1步骤一、将ODS铁素体钢靶材和钨靶材置于真空度为1. 3 X 10 的真空室中的水冷铜坩埚中，将尺寸为150mmX 150mmX4mm的ODS铁素体钢基体1采用辉光等离子清洗后水平置于ODS铁素体钢靶材和钨靶材的上方；所述ODS铁素体钢靶材和钨靶材的上表面与 ODS铁素体钢基体1的下表面之间的距离为300mm ；步骤二、采本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：华云峰，李争显，王彦峰，王宝云，姬寿长，杜继红，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：