论文部分内容阅读
本文首先综述了应用于核聚变反应堆中的面向等离子体材料的研究现状与发展趋势。针对面向等离子体材料钨与热沉材料铜之间由物理性能的差异造成的连接技术难题，本文先采用ANSYS Workbench有限元分析软件对W/Cu功能梯度材料的三维模型在稳态热流载荷作用下热应力大小与分布，以及涂层表面工作温度的变化进行了模拟分析，结合有限元分析数据，然后采用优化的低压等离子喷涂技术（LPPS）在大面积CuCrZr基体表面制备了一系列W/Cu功能梯度涂层（FGM），研究了表面粗糙度、梯度层类型、厚度对缓解铜钨热应力以及铜基体与厚钨涂层之间结合强度的影响。利用OM、SEM、EDS等手段对W/Cu FGM的显微组织与成分进行分析，最后采用EMS-60电子束实验测试平台评价所制备的W/Cu FGM在稳态热疲劳和瞬态热冲击下的热负荷性能。实验结果表明：随着梯度层层数的增加，最大等效应力降低，在层数为6时达到最小，当层数大于6后应力出现起伏变化；随着梯度层的成分分布指数增大，应力先是急剧下降，随后又缓慢上升；随着梯度层的厚度增加，表面工作温度逐渐增大，最大等效应力显著降低；综合考虑，层数为6，成分分布指数为1.8的模型具有良好的电子束热负荷性能。LPPS制备的不同类型、厚度的W/Cu梯度过渡层+厚W涂层，W涂层的厚度为1.35~1.61mm范围不等，W涂层较为致密，部分涂层在面层/梯度层界面的近面层处存在一条多孔隙带；梯度层类型分W/Cu、Mo/Cu两种，层数均为6层，厚度在0.38~0.83mm范围，整个梯度层分布连续、层间结合良好，各梯度层之间无明显界面；W涂层氧含量控制在0.1±0.02wt.%较低范围内，热导率为36±4W/(m·K)，孔隙率为9±1vt.%；涂层孔隙的孔径分布范围为0.2~4.0μm，主要以1.0μm左右的孔隙为主。通过热震实验筛选出的W06-h模块可承受1000次功率密度为9MW/m~2的稳态热疲劳循环，无过热和破坏现象出现，表面最大温度偏差在10%左右，表面浅层出现了微小裂纹分布，无纵向裂纹出现，符合热负荷评价标准；在瞬态热冲击的垂直位移事件VDEs模式下，W06-h模块可承受能量密度为20MJ/m~2的冲击，表面出现微裂纹，无纵向贯穿裂纹扩展；在等离子破裂PB模式下，W06-h模块经可承受4MJ/m~2的冲击，只是在表面出现了微裂纹。