2热喷涂
热喷涂是利用某种热源将涂层材料加热到熔融或半熔融状态，同时借助于焰流或高速气体将其雾化，并推动这些雾化后的粒子喷射到基体表面．沉积成具有某种功能的涂层。热喷涂主要包括爆炸喷涂、超音速火焰喷涂和等离子喷涂。
2．1爆炸喷涂
爆炸喷涂最早由美国联合碳化物公司利德分公司发明，于1953年投入生产。爆炸喷涂利用混合气体爆炸的能量将具有各种功能的热喷涂粉末材料加热并加速轰击到工件表面上，使之形成坚固涂层。与其他喷涂工艺相比，爆炸喷涂有许多优点，如涂层与基体结合强度高，涂层致密的镀件不会发生大的变形和组织变化；涂层均匀、厚度易控制等。种法力等以乙炔和氧气作为爆炸气体，将平均粒度为8tan的钨粉，以每秒5次的爆炸频率．距铜基体120衄的距离进行爆炸喷涂．并对喷涂后的涂层进行热等静压处理，以增强钨铜结合强度和潍层密度。最后获得厚度为300mm左右的涂层，且涂层与基体铜结台力较高。但是钨与铜的热膨胀系数和弹性模量相差很大．在加载热通量过程中，界面处产生应力，影响材料的耐热冲击性能。而且爆炸喷涂的喷涂热喷涂粉末只能以直线从喷枪中喷出，所以被喷涂的基材形状不能够太复杂，再加上喷涂设各噪音大和喷涂热喷涂粉末污染等问题，在一定程度上限制了此方法的应用。但因为爆炸喷涂能在大面积基体材料上进行，且杂质含量少，与基体的结台强度相对较高，所以采用爆炸喷涂方法获得钨涂层仍然是制备棱聚变较低热通量区域面对等离子体材料的1种参考方法。
2．2超音速火焰喷涂
超音速火焰(highvelocityoxygenfuel，HVOF)喷涂是20世纪80年代发展起来的1种高速火焰喷涂技术，具有火焰喷射速度高r可达1500～2000m／s)和温度低的特点。简中华等通过超音速火焰喷涂OWOF)制备了钨涂层．用于新型药型罩材料。涂层的表面形貌如图2所示。分析发现，钨颗粒加热融化不充分，主要以固态颗粒形式撞击基体，不能形成连续涂层。涂层很薄且有许多孔洞，局部区域基体铜暴露出来。由于HVOF喷涂速度较高，喷涂火焰温度一般为3000℃左右，低于钨的熔点3340℃，因此钨颗粒不易融化。
此种方法得到的钨涂层性能不是很好，但由于HUOF喷涂的动能大，速度快，粒子在空气中飞行时间短。所以被氧化的机会小，因此可以将I-IVOF与其他制备工艺相结合以提高涂层性能，这或许将是1种切实可行的途径。
2．3等离子喷涂
等离子喷涂技术是20世纪50年代开发出来的1种表面处理工艺。等离子喷涂设备及工艺是采用等离子弧发生器(喷枪)将通入喷嘴内的气体(常用Ar、N和H等气体)加热和电离，形成高温高速等离子射流，熔化和雾化金属或非金属物料，并使其高速喷射到经预处理的工件表面上形成涂层。等离子体喷涂是目前研究最多也最成熟的1种钨涂层制各工艺，最大的好处是不受喷涂基体材料的限制，既可以在金属基体如不锈钒，铜，钼等上进行，又可以在石墨。碳纤维复合材料或者碳／碳复合材料上进行。并可获得较厚的涂层，涂层性能也较好。等离子喷涂包括常压大气等离子喷涂，真空等离子喷涂或低压等离子喷涂。
2．3 .1常压大气等离子喷涂
常压(大气)等离子喷涂法采用的是常规喷涂方法，具有操作方便，生产效率高等特点。但是涂层中含有较多杂质，且致密度和结合强度不理想。Y．Yahiro等在铁索体，马氏体钢上采用常压等离子喷涂钨金属层，得到的涂层厚度可达1．0哪，但涂层孔隙率达6％，孔洞尺寸大于10。由于喷涂过程中涂层表面被氧化，导致钨涂层热载性能较差，出现较多的裂纹。尽管采用大气(常压)等离子喷涂获得的涂层性能普遍不理想，但其技术条件相对简单，仍是1种非常有吸引力的钨涂层制备技术。
2.3 .2低压(真空)等离子喷涂
低压(真空)等离子喷涂(vPs)是在低压保护性气氛下进行的喷涂，其优点是焰流速度高、粒子动能大，涂层能够免受氧化和污染：基体预热温度便于提高，并且采用反向转移弧对基体表面进行电清理和活化，能够大大改善涂层与基体间的结合性能。TOKUNAGA等Ⅲ1采用真空等离子喷涂技术在炭／炭复合材料上得到了厚1nun和0．5 ram的纯金属钨涂层。他们在真空等离子喷涂钨之前，用物理气相沉积的方法．先在炭或C／C纤维复合材料表面沉积一层铼的扩散势垒层．以避免钨与炭基体形成脆性的钨的碳化物。刘翔等[32-331也在石墨和炭纤维基体上先采用物理气相沉积法沉积出多层硅镰或者钨铼的中间过渡层。而在铜基体上则先喷涂梯度过渡层，然后再喷涂纯金属钨．涂层形貌如图3所示。该涂层的密度高，导热性能好，且涂层与基体结合良好。邝子奇等用梯度涂层的方式，利用xfPS技术成功地在铜合金基体上制各出结合强度很高的厚钨涂层(厚度，Imm)，涂层具有良好的导热性和耐热冲击性能．能承受9．6MW／m2和200s的脉冲。可见采用pVD方法结合等离子喷滁产生中间过渡层和梯度过渡层是1种很好的制备钨涂层的手段。目前，VPS技术己经广泛用于制备面向等离子体第一壁厚钨涂层(厚度超过1mm)，由于该技术具有制各效率高、成本低和可以原位修复等优点，已经成为制各厚钨涂层的首选技术。
23 3惰性气体等离子喷涂
用惰性气体等离子喷涂法也可以镀覆钨金属层。LIU等采用该方法分别在cu和SMF700石墨上获得金属钨涂层。结果显示在Cu基体上制备梯度过渡层后，涂层与基体的结合强度有所提高，但是热机械性能比真空等离子喷涂差很多，200次热循环测试就出现裂纹。而真空等离子喷涂得到的钨涂层可以承受大于1000次的热循环测试。葛毅成等Ⅲ妊C／C．Cu复合材料表面等离子喷涂金属钨涂层时通八氩气和氢气作为保护气体，以防止w在涂层制各过程中被氧化。分析结果表明，虽然在惰性气氛下可以避免钨粉氧化，但是涂层的性能比真空等离子喷涂差很多。
2．3 .4其他等离子喷涂法
日本的AKIRA等采用1种瓦斯隧道型等离子喷涂技术，将喷涂距离从一般的200-300ram缩短到40mm以下．用氩气作为保护气体．得到厚度分别为70µm和80µm的钨涂层，涂层与不锈钢衬底结合较好，70µm的涂层致密，孔隙率低，80µm厚的涂层孔隙率较高，原因可能是喷涂过程中钨反复再熔引入了气孔。HYOUNGIL等啪采用蒸汽等离子喷涂结合热等静压的方法得到钨涂层，但是涂层的密度较真空等离子喷涂得到的钨涂层低。尽管如此，这些方法还是给出了钨涂层制备的可选择性。
以上分析结果显示，等离子喷涂是1种有效的、研究较成熟的镀覆金属钨的方法，得到的涂层性能依据喷涂的具体参数而定，涂层厚度可以从纳米级到几毫米。
3气相沉积
气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程，在工件表面形成功能性或装饰性的金属、非金属或化合物涂层。气相沉积技术按照成膜机理，可分为化学气相沉积、物理气相沉积和等离子体气相沉积。目前制备钨涂层可采用物理或化学气相沉积方法，或者将气相沉积方法结合其他制备技术，提高钨涂层的性能。
3．1化学气相沉积
化学气相沉积(Chemicalvapor deposition，CVD)是20世纪60年代发展起来的，它是1种化学气相生长法．这种方法把含有薄膜元素的1种或几种化台物、单质气体供给基体，借气相作用或在基体表面上的化学反应生成所要求的薄膜。反应气体来源已由金属卤化物向羰基化合物以及其它金属有机化台物方向发展。CVD沉积钨涂层可用氟化物及氯化物氢还原等方法获得。
3．2物理气相沉积
物理气相沉积技术出现于20世纪70年代末，是1种利用物理过程沉积薄膜的技术。和化学气相沉积相比，物理气相沉积适用范围广泛，几乎所有材料的薄膜都可以用物理气相沉积来制备，但薄膜厚度不均匀是物理气相沉积中存在的问题。主要的物理气相沉积方法有：热蒸发、溅射、脉冲激光沉积等。而沉积金属钨大部分都采用溅射的方法。GANNE等140]通过磁控溅射在钢衬底上沉积钨涂层。WANG等采用射频磁控溅射法在单晶硅村底上得到70～460nm厚度不等的钨涂层。RADIC等阳1采用直流和射频磁控溅射技术在硅衬底上沉积出150～200nm厚的钨膜，该钨膜为非晶态且热稳定性较好。MAIER等分别采用磁控溅射、电弧沉积和电子柬蒸发3种物理气相沉积法制备钨涂层。采用磁控溅射和电弧沉积法得到10um厚的钨涂层，采用电子束蒸发的方法只得到02～05um的钨涂层，而且涂层中的轻杂质古量都高于另外2种方法得到的涂层，但是涂层与基体的牯附性很好．在热载测试中没有出现分层现象。电弧沉积的钨涂层粘附性也非常好，只有磁控溉射法得到的涂层与基体粘附性不理想，在热载测试中出现明显的分层现象。3种方法得到的涂层表面形貌和均匀性都较好。此外，用PVD法结合真空等离子体喷涂法的文献报道较多，制各的涂层性能较好，本文前面已经进行了较详细的介绍。近年来还出现了许多新的钨涂层制备方法．如激光烧蚀技术。压缩等离子体流技术州，双层辉光离子渗技术，但这些方法用于制各钨涂层都不是根成热，还需要进一步深入研究。
4展望
以上各种钨涂层的制备方法，可以归纳为电镀、热喷涂和气相沉积3大类。各种制各方法基本上都是基于这些方法进行的改良和探索。目前研究最为成熟的技术是等离子体喷涂和化学气相沉积。等离子喷涂不受基体材料的限制，可以应用于金属、非金属或复合材料表面钨涂层的制备，并可获得厚度不同的钨涂层，而且通过各种辅助方法使涂层与基体的结合力大大增加，能够满足实际使用的需要。化学气相沉积法得到的钨涂层的致密度是目前所有方法中最高的．但会引入杂质元素，而且其含氟或氯的前躯体会产生有害气体，应尽量避免。物理气相沉积法的优点是不受基体材料的限制，但是所制各的钨涂层较薄，最厚也只能够到几十微米。此外，熔盐电镀法是较有希望的1种方法，可通过电化学反应获得厚度均匀的钨涂层。而且是从化合物中沉积出纯金属钨，避免了引入氧或碳等杂质元素，但基体材料受到一定限制。随着科学技术的进步，钨涂层的使用条件愈加苛刻，而且应用范围也愈加广泛。未来钨涂层制备技术的研究集中在以下几个重要方向：1)高质量厚钨涂层pl mm)的制备。近年来，随着国际热核聚变实验堆计划的实施，聚变堆面向等离子体材料(PFM)受到极大关注。目前已经确定全钨涂层与热沉材料组成的复合结构为PFM的重要候选材料，由于它是保护真空室内壁和各种内部部件免受高温等离子体直接辐照的第一道屏障，是磁约束聚变堆中运行条件最苛刻、也最关键的材料，因此，要求钨涂层具有较大的厚度。获得与热沉材料结合良好的厚钨涂层是未来聚变堆实现应用的关键之一。2)具有功能梯度结构钨涂层的制备。由于钨涂层在热物理性能上往往与基体材料存在较大差异，如材料的热膨胀系数等，直接在基体材料上沉积钨涂层会引起较大的应力，从而降低涂层的结合强度和质量，而通过功能梯度结构设计在钨涂层与基体之间预先沉积不同成分和厚度，并按梯度分布的中间过渡层，可极大地缓解这种应力，进而提高涂层的质量。为了实施这种梯度结构的涂层制备，将几种制备技术如热喷涂和气相沉积等有效结合将是获得高质量钨涂层的关键。3)纳米结构钨涂层也是未来研究的重要方向。纳米结构涂层由于晶粒细化和纳米尺寸效应，涂层致密度、硬度和结合强度明显提高，而对于钨材料更是如此，晶粒细化会明显提高材料的韧性和抗热冲击能力。
图略
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
