高速大气等离子喷涂在铜表面沉积钨涂层的性能研究外文翻译资料

 2022-12-23 14:42:26

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高速大气等离子喷涂在铜表面沉积钨涂层的性能研究

摘要：采用高速大气等离子喷涂(HAPS)技术在铜(Cu)表面制备了钨(W)涂层。测量其孔隙率、氧含量、结合强度和显微硬度。结果表明，HAPS-W涂层具有良好的性能，特别是在孔隙率和含氧量方面。涂层孔隙率为2.3%，下壁孔隙率为2.3%。孔径分布主要集中0.01-1mu;m范围内。用氮氧测定法测定涂层含氧量约为0.10wt%。初步结果表明，HAPS-W涂层已经达到了真空等离子喷涂(VPS)钨涂层的性能。与VPS相比，HAPS-W技术提供了一种方便、低成本的方法来获得适合于熔合应用的钨涂层。

1.引言

钨以其高物理溅射阈值、高熔点(3410℃)、低蒸气压(1.3times;10-7Pa@Tmelt)以及良好的导热性能(180W/mK)而成为核聚变堆等离子体表面元件(PFCs)的理想装甲材料[1-3]。然而，高弹性模量，高脆性和热膨胀与其他金属，特别是铜合金不匹配(aCuasymp;4aW)，使钨与热沉金属的连接十分具有挑战性[4,5]。在所有能够实现钨装甲的方法中，大气等离子喷涂(APS)以其简单、成本低等优点显得尤为引人注目[6]。然而，APS涂层也存在杂质含量高、本征孔隙率高、物理机械性能差等缺点[7,8]。为了避免APS的不利影响，一些研究人员在真空或低压环境下进行了一些研究，即真空等离子喷涂(VPS)和可控大气等离子喷涂(CAPS),虽然取得了较好的效果，但操作的复杂性和成本却急剧增加[9,10]。

本文采用高速大气等离子喷涂(HAPS)技术，在铜基体上制备了钨涂层。对钨涂层的孔隙率、氧含量、结合强度和显微硬度的测试结果表明，HAPS-W涂层的性能接近VPS-W涂层，然而，它的低成本和简单性是相当可观的。这是一种非常实用可行的制备高质量钨镀层的方法。

2.实验过程

采用PRAXAIR等离子喷涂系统（80kW）和采用MachⅡ型硬件(阳极:02083-100,阴极:01083A-104,注射器:03083-110)的SG-100型喷枪(PRAXIAR,USA)，将中等尺寸6mu;m(图1)的钨粉在空气中喷涂到铜基体(Phi;50times;5mm)上。MachII型等离子喷枪采用DeLaval喷嘴设计，可以将通过它的高温高压气体加速至两倍音速。一个六轴工业机器人（IRB2400，ABB，瑞典）控制喷枪在X和Y方向上移动。用氩和氢作为等离子体气体。在沉积前，对铜基体进行了喷砂和超声波清洗等预处理，以增强镀层与基体的结合力。表1显示了沉积参数。在等离子喷涂过程中，为了避免涂层从基体上脱落，采用水冷方式对基体进行冷却。沉积后，对样品进行横切抛光，分析其微观结构。

用扫描电子显微镜(SEM；S4700，日立，日本)对涂层的微观结构进行了表征。孔隙率用水银钻孔仪(AutoPore9500，美国)测量。采用基于惰性气体熔融原理的脉冲加热红外吸收法，利用非常敏感的氮/氧测定仪(TC600,LECO,美国)对涂层中的氧含量进行了测定。采用显微硬度试验机(BUEHLER5114,日本)和粘着试验机(PosiTestAT,美国)分别对涂层的维氏显微硬度和结合强度进行了测试。

图1.钨粉的扫描电镜显微照片

表1.高速大气等离子喷涂参数

参数

HAPS-W

功率(kW)

35,38.5,42

电压(V)

70

电流(A)

500,550,600

初次气体,Ar(l/min)

56.6

二次气体,H2(l/min)

4,5.5,7

运载气体,Ar(l/min)

5.5

喷射距离(mm)

50

导线速度(mm/s)

200

送粉速度(g/min)

15

3.结果与讨论

3.1.微观结构

图2显示了HAPS-W样品的横截面形貌，并在图3中给出了HAPS-W涂层的SEM形貌。普遍观察到一个致密、层状的分布矿床。如图3所示，孔隙尺寸很小，主要分布在涂层的层状层附近。喷涂后的钨颗粒大部分已完全熔化并沉积。图4显示了用水银孔径仪(AutoPore9500，USA)在RT上测量的孔径分布和孔隙率。HAPS-W涂层的孔隙率仅为2.3%，孔径分布主要集中在0.01-1mu;m范围内。该结果与VPS-W涂层的其他报告结果相当[10-12]。HAPS-W涂层具有较低的孔隙率，主要是由于粉末颗粒的飞行速度较快，颗粒尺寸较小。这样就更容易形成致密的涂层。

3.2.钨的氧化

图5显示了喷涂前HAPS-W涂层和钨粉的相组成。XRD图谱中氧峰不明显。图6是广州有色金属研究所(GZRINM)用氮氧测定仪测定的含氧量。涂层中的氧含量分别为0.10%、0.20%和0.27%，分别相当于喷涂功率35kW、38.5kW和42kW。总的来说，氧气含量随着输入功率的增加而增加，但数值很小。这些结果与VPS-W涂层的效果相似[12,13]。HAPS-W技术主要是由于粉末颗粒的高速化和熔滴的快速凝固而减少了钨的氧化。氧化钨的形成没有足够的停留时间

图2.HAPS-W的横截面形貌

图3.横截面HAPS-W涂层的扫描电镜观察：(a)500times;；(b)1000times;

图4.孔径分布与孔隙度

图5.HAPS-W涂层和钨粉的XRD图谱：(a)钨粉；(b)35kW；(c)38.5kW；(d)42kW

图6.HAPS-W涂层的氧含量

3.3.力学性能

使用显微硬度试验机(BUEHLER5114,Japan)对涂层的抛光横截面进行了维氏显微硬度试验，正常载荷为100g，停留时间为10s。图7显示了不同喷涂功率下涂层的显微硬度。所报道的涂层显微硬度值为5次从涂层表面向基体方向的凹痕的平均值。结果表明，涂层的显微硬度随喷涂功率的增加呈上升趋势。

涂层的结合强度测试表明，HAPS-W涂层的结合强度约为15MPa。与报道的VPS-W涂层相比，其附着力稍差[10,11,13]。理论上，由于粒子的飞行速度较快，HAPS-W应能获得较好的涂层附着力。但结果并非如此，可能主要是由于钨粉的大小。小颗粒具有较低的动能和较高的残余应力，从而降低了结合强度。

图7.HAPS-W涂层的显微硬度

4.结论

采用高速大气等离子喷涂(HAPS)技术在铜基体上沉积了钨涂层。涂层具有良好的显微组织和较低的氧含量。高速大气等离子喷涂技术可以使钨粉获得较高的喷涂速度。结合液滴撞击基片后的快速凝固，HAPS-W技术大大降低了钨氧化的可能性。此外，在相同的条件下，颗粒速度越高，动能越大，获得致密涂层的可能性就越大。初步结果表明，HAPS-W技术可以提供一种方便、低成本的方法来获得适合于熔合应用的钨涂层。

致谢

此项工作由广东省自然科学基金资助。No.LYM09119.

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