超厚钨涂层在装甲中的应用

由于钨具有很强的导热性，非常高的熔点和沸点以及低蒸汽压，最小的物理侵蚀率和低滞留率，钨是聚变反应堆中面向等离子体应用的一种有前途的材料。超厚的钨涂层在装甲中有着重要的应用。

使用超厚的毫米级钨涂层作为消耗性装甲，以抵御分流器和其他地方的等离子体撞击，通常被认为是保障底层结构部件的需要。

然而，钨也有其自身的缺陷，如高制造温度、低加工性和易氧化性，所有这些都影响了制造。由于钨的热膨胀系数大大低于铁素体/马氏体钢（如EUROFER97或铜），因此将钨连接到底层结构元素（如铁素体/马氏体钢如EUROFER97或铜）是一个相当大的问题。

在制造和服务过程中遇到的温度偏移必然导致在这种组合的钨/钢接触处产生巨大的热膨胀失配应力。

这些应变，以及与之相关的潜在应变能量，会导致钨涂层脱粘，并在界面平面附近出现灾难性的断裂，导致涂层分层。因此，尽管只有几百微米的厚度，典型的铁上钨涂层的热循环能力不足。

由于熔点的巨大差异，钨/钢的连接经常是独立于钨的制造来完成的。另外，钨的外涂层可以通过沉积方法直接沉积在铁或其他材料上。

使用热传导失配应变控制技术，如空气或真空等离子喷涂（APS，VPS）液体形式的钨或液滴，对钨和钢的薄层间的沉积以产生分级界面进行了研究。分级界面技术的目标是将热诱导的应力分散到更大面积的材料上，降低离散界面分层的失败可能性。

在圆柱形高密度石墨模具（FAST）中，现场辅助烧结工艺被用来在钢铁样品上制造纽扣状钨。在FAST中，通过在模具和粉末材料之间放置电流来加热一个冷压粉末压片，引起快速焦耳加热。为了促进烧结，通常同时施加高达50兆帕的单轴压力。

为了避免在整个FAST过程中的热损失，每个模具都被覆盖在碳毡上。为了防止模具/冲床组和烧结材料之间的直接接触，在模具内使用了顶部和底部的石墨箔层。在模具的底部，放置了一个钢制圆盘基底。

纳米钨粉被放置在模具中，在通过玻璃珠喷砂和清洁去除任何电火花引起的表面氧化层后，压制以鼓励均匀分散和渗透到预先雕刻的金属表面。使用4、6和8克的钨重物制作各种厚度的涂层。

基材比涂层厚得多，导致没有明显的基材偏移，热膨胀不匹配明显，导致涂层中每单位体积的应变能量比基材中大。

随着涂层变厚并达到基体的厚度，涂层和基体的每单位体积的应变能量变得更加相似，这是基于它们的杨氏模量的差异；在极端情况下，涂层非常厚，以至于它有效地发挥了基体的功能。

为了限制热膨胀不匹配应力对涂层分层的灾难性影响，研究了现场辅助烧结的方法，以在预制的AISI 416钢基材上立即生产出厚而密的钨涂层。

该方法能有效地生产出具有有意产生的分段裂缝和等轴的、随机分布的200纳米晶粒的钨涂层。在制造中，在专门的炉子里进行300到800的热循环后，旨在模仿聚变等离子体面应用所必需的温度条件，涂层段仍然牢固地粘在装甲基体上。

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