EAST平板型钨铜面向等离子体部件的制备研究

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中国科学院等离子体物理研究所在2010年开展了EAST W/Cu偏滤器工程,预计在2015年底完成。W/Cu偏滤器穹顶(Dome)和除偏滤器以外的第一壁(FirstWall,FW)区域将采用平板型的W/Cu复合部件,具有预期排除3-5 MW/m2热负荷的能力。本论文介绍了两种平板型W/Cu面向等离子体部件(Plasma-FacingComponents,PFCs)的制备工艺及其高热负荷试验,分别是真空热压工艺(VacuumHot Pressing,VHP)和热等静压工艺(Hot Isostatic Pressing,HIP)。此外,本文还介绍了化学气相沉积钨涂层(CVD-W)的制备及其性能表征,CVD-W涂层也或将用于EAST除偏滤器以外的第一壁区域,也设计具有承受3-5 MW/m2热负荷的能力。  平板型W/Cu PFCs的制备过程分为两步,首先采用铸造工艺将W与无氧铜(Oxygen-free Copper, OFC)中间层连接起来,制备成W/OFC片,超声波探伤显示所制备的钨铜片W/OFC界面结合良好,其结合强度可达120 MPa,然后再采用VHP或HIP的工艺将W/OFC片与CuCrZr热沉材料连接起来。本论文比较了“铸造+VHP”和“铸造+HIP”两种工艺组合制备的平板型W/Cu模块,高热负荷试验表明:“铸造+VHP”制备的W/Cu模块在冷却水流速4m/s的情况下承受住了1000次3.2 MW/m2的热循环载荷,而在300次5.4 MW/m2的热疲劳试验时,钨内部靠近开槽的位置出现开裂,并且缺陷区域随着疲劳试验的进行逐渐扩大;“铸造+HIP”工艺制备的W/Cu模块承受住了1000次5 MW/m2的循环热负荷,W/Cu界面、OFC/CuCrZr界面均未出现缺陷,满足EAST平板型W/Cu偏滤器部件的耐高热负荷要求。  经过反复工艺优化,在无氧铜基体上制备出了性能较好的化学气相沉积钨涂层,即CVD-W涂层。钨涂层与基体的结合强度约为50MPa,钨涂层的纯度为99.9999%以上,密度为19.2 g/cm3以上。在沉积温度为490-580℃时,沉积速率达到0.3~0.5 mm/h;CVD-W涂层表面平整均匀,晶体组织致密,内部无任何裂纹以及生长缺陷;CVD-W具有规则的柱状晶形貌,具有明显的<001>择优生长取向;CVD-W涂层在沿其晶粒生长方向具有良好的导热能力。
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