塗層製備方法對W基材料氧化行為的影響

研究人員總結了不同W基材料塗層製備方法對塗層組成和氧化行為的影響。可以看出，矽化物塗層主要由一個厚的WSi₂層和一個薄的W₅Si₃層組成。由於擴散溫度相對較低，HAPC塗層需要更長的時間。在1100℃下處理4~15小時後，塗層的厚度只有30~60 µm。然而，使用CVD技術，在1200℃下沉積0.5~1小時，塗層的厚度可以達到50~80 µm。相比之下，HDS技術的塗層製備效率非常高。通過在1500℃下沉積0.25~0.42小時，可以得到厚度為36~88 µm的塗層。

但是，關於W基材料上的那種塗層的抗氧化性的研究還沒有報導，這值得有關學者進一步研究。每種塗層都有類似的結構，根據其氧化規律可分為三個不同的溫度區。當溫度低於1000℃時，氧化層由分層的WO₃和無定形的SiO₂組成，氧氣沿著塗層表面的裂縫和孔洞被輸送到內部。隨著WO₃的逐漸揮發和氧化層的不斷增厚，塗層的氧化率逐漸降低。當溫度在1100℃和1200℃之間時，由於WSi₂相分解成W₅Si₃，塗層的孔隙率迅速增加。

氧氣向塗層內部的擴散速度加快，在塗層內部的裂縫處產生大量的WO₃，導致體積膨脹，進一步加快了氧化反應。當溫度在1300℃以上時，氧化行為中產生的WO₃由於高蒸氣壓而大量揮發，SiO₂的粘度逐漸下降。在氧化層表面形成連續穩定的石英石層。這意味著塗層的自我修復能力明顯增強。優化塗層的結構，適當增加介面層的厚度，減少WSi₂和W基材之間CTE不匹配造成的缺陷，對延長塗層的氧化壽命具有重要意義。

參考來源: Fu T, Cui K, Zhang Y, et al. Oxidation protection of tungsten alloys for nuclear fusion applications: A comprehensive review[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 884: 161057.

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