ITER等離子璧鎢塗層再探討

鎢具有高熔點、優良的導熱性能、低濺射產額和高自濺射閾值、低蒸氣壓以及低的氚滯留性能，被認為是當今聚變實驗裝置和未來聚變堆最有希望的偏濾器和第一壁的面對等離子體材料。

由於鎢的硬度高，脆性大，機加工十分困難，塗層技術成為製備形狀複雜的偏濾器和第一壁部件的理想方法，其製備工藝簡單、經濟，可以在不用改變原有部件的結構條件下方便地完成面對等離子體材料的變更，儘管其抗熱負荷能力稍遜於塊體-熱沉的冶金連接，但對於中等壁負載（5-7MW/m2）以下的面對等離子體部件，無疑是首選的製作方式。

鎢塗層製備技術主要有等離子體噴塗（PS）、物理氣相沉積（物理氣相沉積）、化學氣相沉積（CVD）等方式。其中，PS工藝簡單、製備效率高、造價低、可原位修復且不受工件形狀限制，是目前大多數研究者所採用的製備技術。但PS鎢塗層的純度低，緻密度僅為燒結純鎢的90%，熱導率比純鎢低25-60%。此外PS鎢塗層的拉伸強度僅為燒結鎢的15%，塗層與基體結合強度低，大面積製備難度較大。

CVD製備的鎢塗層在純度高，可到達99.99%以上，塗層的緻密度、熱導率和強度與鍛造純鎢相當；CVD鎢具有柱狀晶結構使得其具有優良的耐高熱負荷性能，其裂紋僅在沿著柱狀晶的方向出現；同時，CVD還可以在彎曲的基體表面上沉積塗層，能夠製備複雜形狀的塗層部件。因此，CVD鎢塗層在製造面對等離子體部件方面，具有非常好的應用前景。

鉻鋯銅合金屬於沉積硬化銅合金，具有很好的導熱性能和力學性能，被國際熱核聚變實驗堆（ITER）及其他聚變裝置廣泛選作第一壁和偏濾器的熱沉和結構材料。銅常被用作中間適配層，用來緩解W和鉻鋯銅合金之間因為熱膨脹係數差異而引起的介面應力。

例如，採用CVD方法在鉻鋯銅合金基材上沉積鎢塗層，基材與塗層之間採用銅作為中間適配層，在沉積之前通過電鍍方法在鉻鋯銅合金基材鍍上一層1-3毫米厚的銅中間適配層或採用熱等靜壓方法將厚度為1-3毫米厚的OFHC板材與鉻鋯銅合金基材焊接，然後再進行鎢塗層沉積。鎢塗層沉積的主要流程包括有：

（1）將鉻鋯銅合金基材根據面對等離子體部件的尺寸加工成所需的幾何形狀；

（2）將加工好的鉻鋯銅合金基材的表面清洗乾淨，去除表面氧化層，並保持基材的溫度480℃以下，採用物理氣相沉積法在鉻鋯銅合金基材表面形成5-100μm厚的純度高於99.9wt%的銅中間適配層；

（3）以六氟化鎢氣體為原料，以氫氣為還原氣體，在280-480℃的基材溫度條件下，在銅中間適配層上進行化學氣相沉積，以形成0.02-2mm厚度 的鎢塗層，即制得所述面對等離子體的鎢塗層部件。

採用物理氣相沉積製備中間適配層，鉻鋯銅合金基材可以是複雜的幾何形狀，不局限於平板結構，相比熱等靜壓擴散焊接、熱壓擴散焊接、疊層軋製、爆炸複合等工藝的適應性廣；此後直接進行化學氣相沉積以製備鎢塗層，體材介面結合力好，緻密度高，基本沒有缺陷。

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