ITER等离子璧钨涂层再探讨

钨具有高熔点、优良的导热性能、低溅射产额和高自溅射阈值、低蒸气压以及低的氚滞留性能，被认为是当今聚变实验装置和未来聚变堆最有希望的偏滤器和第一壁的面对等离子体材料。

由于钨的硬度高，脆性大，机加工十分困难，涂层技术成为制备形状复杂的偏滤器和第一壁部件的理想方法，其制备工艺简单、经济，可以在不用改变原有部件的结构条件下方便地完成面对等离子体材料的变更，尽管其抗热负荷能力稍逊于块体-热沉的冶金连接，但对于中等壁负载（5-7MW/m2）以下的面对等离子体部件，无疑是首选的制作方式。

钨涂层制备技术主要有等离子体喷涂（PS）、物理气相沉积（物理气相沉积）、化学气相沉积（CVD）等方式。其中，PS工艺简单、制备效率高、造价低、可原位修复且不受工件形状限制，是目前大多数研究者所采用的制备技术。但PS钨涂层的纯度低，致密度仅为烧结纯钨的90%，热导率比纯钨低25-60%。此外PS钨涂层的拉伸强度仅为烧结钨的15%，涂层与基体结合强度低，大面积制备难度较大。

CVD制备的钨涂层在纯度高，可到达99.99%以上，涂层的致密度、热导率和强度与锻造纯钨相当；CVD钨具有柱状晶结构使得其具有优良的耐高热负荷性能，其裂纹仅在沿着柱状晶的方向出现；同时，CVD还可以在弯曲的基体表面上沉积涂层，能够制备复杂形状的涂层部件。因此，CVD钨涂层在制造面对等离子体部件方面，具有非常好的应用前景。

铬锆铜合金属于沉积硬化铜合金，具有很好的导热性能和力学性能，被国际热核聚变实验堆（ITER）及其他聚变装置广泛选作第一壁和偏滤器的热沉和结构材料。铜常被用作中间适配层，用来缓解W和铬锆铜合金之间因为热膨胀系数差异而引起的界面应力。

例如，采用CVD方法在铬锆铜合金基材上沉积钨涂层，基材与涂层之间采用铜作为中间适配层，在沉积之前通过电镀方法在铬锆铜合金基材镀上一层1-3毫米厚的铜中间适配层或采用热等静压方法将厚度为1-3毫米厚的OFHC板材与铬锆铜合金基材焊接，然后再进行钨涂层沉积。钨涂层沉积的主要流程包括有：

（1）将铬锆铜合金基材根据面对等离子体部件的尺寸加工成所需的几何形状；

（2）将加工好的铬锆铜合金基材的表面清洗干净，去除表面氧化层，并保持基材的温度480℃以下，采用物理气相沉积法在铬锆铜合金基材表面形成5-100μm厚的纯度高于99.9wt%的铜中间适配层；

（3）以六氟化钨气体为原料，以氢气为还原气体，在280-480℃的基材温度条件下，在铜中间适配层上进行化学气相沉积，以形成0.02-2mm厚度 的钨涂层，即制得所述面对等离子体的钨涂层部件。

采用物理气相沉积制备中间适配层，铬锆铜合金基材可以是复杂的几何形状，不局限于平板结构，相比热等静压扩散焊接、热压扩散焊接、叠层轧制、爆炸复合等工艺的适应性广；此后直接进行化学气相沉积以制备钨涂层，体材界面结合力好，致密度高，基本没有缺陷。

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