功能涂层B4C/W的感应耦合等离子体制备及界面相互作用

Magnetic confinement fusion is one of the main ways to solve the future energy needs in the world, and plasma facing materials (PFMS) is the key factor to decide whether controlled nuclear fusion is successful or not. The functional gradient materials with B4C (high melting point and low atomic number) and W (high thermal conductivity metal) combination, is the focal point of fusion materials research, and also the first choice of EAST Tokamak device internal parts material. This project adopts the vacuum chamber - supersonic technique of inductive coupling plasma (ICP) under atmospheric pressure to prepare B4C/W functional gradient coating, with high purity and good bonding force characteristics. Material preparation methods and material performance further enhance work will be in the following several aspects: 1) in the larger plasma parameters under the condition of different B4C/W powder mixture ratio, to study powder solid phase, liquid phase blends, solidification dynamic process of film forming. 2) to study B4C/W coating layer by chemical composition and mechanism of defects, and to study interface interaction of B4C ceramic and W metal substrate, and the corresponding electronic structure. 3) to research on the physical and chemical behavior of B4C/W powder in plasma, and clarify cladding mechanism and combination rule of B4C/W coating. Project progress and results will have important scientific significance in application of B4C/W functional gradient coating in fusion.

核聚变是目前世界上可以解决未来能源需求的主要途径之一，面向等离子体材料是决定受控核聚变能否成功的关键性因素。将高熔点及低原子序数的B4C和高导热性能金属W结合的功能梯度材料，是目前聚变材料研究的焦点，也是托卡马克装置EAST内部部件材料的首选。本项目采用真空室内大气压下-超音速感应耦合等离子体技术，制备B4C/W功能梯度涂层，具有净纯度高、结合力好的特性。材料制备手段及材料性能进一步提升工作将在下面几方面展开：1)更宽广的等离子体参数条件下，研究不同B4C/W粉末混合比例，粉末固相混合、液相融合、凝固成膜的动态过程。2)研究B4C/W涂层逐层化学成分和缺陷机制，研究B4C/W涂层界面相互作用以及相应的电子结构。3)研究B4C/W粉末在等离子体中的物理化学行为，阐明B4C/W涂层的熔覆机理，揭示B4C/W涂层的结合规律。项目研究结果对于B4C/W涂层在聚变中的应用具有重要的科学意义。

本项目将在前人研究的基础上，采用真空室内大气压下-超音速感应等离子体炬作为制备手段，探索B4C/W功能梯度涂层在W基材上的形成机理、涂层界面的相互作用和电子结构，从而改进涂层的制备工艺 。真空内大气压下的超音速感应耦合等离子体，是目前比较先进等离子体喷涂技术，它焰流温度高、能量集中、无电极烧蚀污染、喷涂效率高，粉末飞行速度快，涂层结合强度高，孔隙率较小，是其它喷涂方法所不能实现的。其制备方法是将B4C/W粉末材料按不同比例，以气体作载体吹入等离子体中，在高温下熔融，熔融的粒子在拉瓦尔喷嘴处加速到接近超音速，然后以极高的速度打在经过净化和粗化处理的基材表面，在高速冲击力的作用下，产生强烈的塑性变形，相互挤嵌、填塞，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层。这种方法沉积速率高，无需烧结，不受基材截面积大小的限制，尤其适合于在金属基体表面制备大面积热障涂层。B4C/W功能梯度材料的制备技术与结构控制技术在整个研究工作中占有很重要的地位，制备过程严格控制等离子体工作条件、粉末混合比例等参数，这些工艺条件及其对材料微观组织、组成分布的控制好坏，直接影响到梯度材料功能的实现和各种性能参数。