超厚鎢塗層在裝甲中的應用

由於鎢具有很強的導熱性，非常高的熔點和沸點以及低蒸汽壓，最小的物理侵蝕率和低滯留率，鎢是聚變反應堆中面向等離子體應用的一種有前途的材料。超厚的鎢塗層在裝甲中有著重要的應用。

使用超厚的毫米級鎢塗層作為消耗性裝甲，以抵禦分流器和其他地方的等離子體撞擊，通常被認為是保障底層結構部件的需要。

然而，鎢也有其自身的缺陷，如高製造溫度、低加工性和易氧化性，所有這些都影響了製造。由於鎢的熱膨脹係數大大低於鐵素體/馬氏體鋼（如EUROFER97或銅），因此將鎢連接到底層結構元素（如鐵素體/馬氏體鋼如EUROFER97或銅）是一個相當大的問題。

在製造和服務過程中遇到的溫度偏移必然導致在這種組合的鎢/鋼接觸處產生巨大的熱膨脹失配應力。

這些應變，以及與之相關的潛在應變能量，會導致鎢塗層脫粘，並在介面平面附近出現災難性的斷裂，導致塗層分層。因此，儘管只有幾百微米的厚度，典型的鐵上鎢塗層的熱迴圈能力不足。

由於熔點的巨大差異，鎢/鋼的連接經常是獨立於鎢的製造來完成的。另外，鎢的外塗層可以通過沉積方法直接沉積在鐵或其他材料上。

使用熱傳導失配應變控制技術，如空氣或真空等離子噴塗（APS，VPS）液體形式的鎢或液滴，對鎢和鋼的薄層間的沉積以產生分級介面進行了研究。分級介面技術的目標是將熱誘導的應力分散到更大面積的材料上，降低離散介面分層的失敗可能性。

在圓柱形高密度石墨模具（FAST）中，現場輔助燒結工藝被用來在鋼鐵樣品上製造紐扣狀鎢。在FAST中，通過在模具和粉末材料之間放置電流來加熱一個冷壓粉末壓片，引起快速焦耳加熱。為了促進燒結，通常同時施加高達50兆帕的單軸壓力。

為了避免在整個FAST過程中的熱損失，每個模具都被覆蓋在碳氈上。為了防止模具/衝床組和燒結材料之間的直接接觸，在模具內使用了頂部和底部的石墨箔層。在模具的底部，放置了一個鋼制圓盤基底。

納米鎢粉被放置在模具中，在通過玻璃珠噴砂和清潔去除任何電火花引起的表面氧化層後，壓制以鼓勵均勻分散和滲透到預先雕刻的金屬表面。使用4、6和8克的鎢重物製作各種厚度的塗層。

基材比塗層厚得多，導致沒有明顯的基材偏移，熱膨脹不匹配明顯，導致塗層中每單位體積的應變能量比基材中大。

隨著塗層變厚並達到基體的厚度，塗層和基體的每單位體積的應變能量變得更加相似，這是基於它們的楊氏模量的差異；在極端情況下，塗層非常厚，以至於它有效地發揮了基體的功能。

為了限制熱膨脹不匹配應力對塗層分層的災難性影響，研究了現場輔助燒結的方法，以在預製的AISI 416鋼基材上立即生產出厚而密的鎢塗層。

該方法能有效地生產出具有有意產生的分段裂縫和等軸的、隨機分佈的200納米晶粒的鎢塗層。在製造中，在專門的爐子裡進行300到800的熱迴圈後，旨在模仿聚變等離子體面應用所必需的溫度條件，塗層段仍然牢固地粘在裝甲基體上。

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