利用喷雾造粒和爆炸喷涂技术开发用于聚变反应堆第一壁的钨钢功能梯度涂层

《Surface and Coatings Technology》：Development of tungsten-steel functionally graded coating for fusion reactors first walls using spray granulation and detonation spraying

制备了通过离心雾化（CSG）制备的钨-钢（W-SS）复合粉末，并采用爆炸喷涂（DS）技术成功构建了具有梯度成分的钨-钢功能梯度涂层（FGC）。研究证实该FGC实现了热力学性能的连续过渡，其接头强度达49.30±1.36MPa，显著优于传统W/SS或W/50W-50SS/SS结构。热通量测试表明，FGC有效缓解了热应力集中，但毫米级厚涂层在55MJ/m2热通量下出现裂纹。该成果为聚变反应堆第一壁的制造及原位修复提供了经济高效的解决方案。

　　在核聚变反应堆的开发过程中，第一壁（First Wall, FW）是承受极端热负荷和等离子体粒子轰击的关键部件。由于核聚变反应中产生的高温和高能粒子流，第一壁材料必须具备出色的热稳定性、抗辐射性能以及良好的机械强度。目前，钨（Tungsten, W）因其高熔点（3422°C）、低溅射率、优良的导热性和较低的氚滞留能力，被认为是首选的等离子体面对材料（Plasma-Facing Material, PFM）。然而，钨与结构钢之间存在显著的热膨胀系数差异，这使得直接焊接或连接两者成为一项极具挑战性的任务。为了解决这一问题，研究者们探索了多种方法，其中功能梯度涂层（Functionally Graded Coating, FGC）被认为是具有前景的解决方案之一。

功能梯度涂层通过在不同层之间逐渐改变材料的组成，能够有效缓解因热力学和机械性能差异导致的应力积累。这种设计不仅有助于提高涂层与基底之间的结合强度，还能改善材料在极端热负荷下的稳定性。在这一背景下，本研究提出了一种基于喷雾造粒（Spray Granulation, SG）和爆破喷涂（Detonation Spraying, DS）技术的新型功能梯度涂层制备方法，旨在实现钨与钢之间的高效连接，并提高其在高温和高热流条件下的性能表现。

本研究的主要目标是通过喷雾造粒技术制备具有特定体积比例的钨-钢复合粉末，然后利用爆破喷涂技术将其沉积在钢基底上，形成具有功能梯度特性的涂层。通过这种方法，研究团队成功地制备了三种不同体积比的复合粉末：25:75（25W-75SS）、50:50（50W-50SS）和75:25（75W-25SS）。这些粉末随后被用于爆破喷涂，以构建对应的复合涂层。在喷涂过程中，通过精确控制粉末的成分比例和喷涂参数，确保了涂层的均匀性和结构稳定性。最终，通过将这三种涂层依次沉积在钢基底上，形成了具有渐变特性的钨-钢功能梯度涂层（W-SS FGC）。

为了验证这种功能梯度涂层的有效性，研究团队对不同结构的样品进行了系统测试，包括纯钨/钢（W/SS）、钨/50W-50SS/钢（W/C/SS）和钨/功能梯度涂层/钢（W/G/SS）结构。测试内容涵盖了涂层的微观结构、硬度分布、结合强度以及在瞬态高热流（High Heat Flux, HHF）条件下的性能表现。结果表明，功能梯度涂层在硬度和结合强度方面均优于传统结构，特别是在热应力的缓解方面表现出显著优势。在瞬态高热流测试中，W/FGC/SS结构在55 MJ/m2的热流条件下出现裂纹，而其他结构则表现出更高的热损伤阈值。这表明，功能梯度涂层在提高材料兼容性和增强热稳定性方面具有明显的优势。

此外，研究还探讨了喷雾造粒参数对复合粉末质量的影响。例如，纯钨粉末在悬浮液中容易沉降，因此在制备75W-25SS混合粉末时，需要适当增加聚乙烯醇（PVA）溶液的浓度，以确保钨粉末在悬浮液中的均匀分散。这种优化不仅提高了复合粉末的制备效率，还增强了其在喷涂过程中的流动性和沉积均匀性。通过这种方式，研究团队能够获得高质量的复合粉末，从而为后续的爆破喷涂提供稳定的原料基础。

在涂层的微观结构方面，研究团队通过扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM）对样品进行了详细分析。结果显示，通过喷雾造粒和爆破喷涂技术制备的复合涂层具有近球形的颗粒结构，且内部孔隙率较低，这有助于提高涂层的致密性和结合强度。此外，涂层的硬度呈现出明显的梯度变化，从钨层逐渐过渡到钢基底，这种硬度梯度对于承受热冲击和机械应力的核聚变反应堆第一壁来说至关重要。通过这种结构设计，涂层能够在不同区域表现出不同的物理特性，从而有效适应反应堆内部的复杂热环境。

研究还发现，功能梯度涂层的结合强度显著高于传统结构。在测试中，W/FGC/SS样品的结合强度达到了49.30?±?1.36?MPa，而对照组样品（如W/SS或W/50W-50SS/SS）的结合强度则较低。这表明，通过引入功能梯度结构，可以显著改善钨与钢之间的连接质量。这种增强的结合强度不仅有助于提高涂层的机械性能，还能增强其在高温和高热流条件下的稳定性，减少因热应力引起的裂纹或剥离现象。

在瞬态高热流测试中，W/FGC/SS样品表现出优异的耐热性能。测试结果显示，当热流达到55 MJ/m2时，样品出现了裂纹，但裂纹主要集中在爆破喷涂的钨层，而功能梯度涂层区域则表现出较好的抗裂能力。这一现象进一步验证了功能梯度涂层在缓解热应力方面的有效性。相比之下，对照组样品在相同热流条件下更容易发生断裂，说明功能梯度结构在提高材料适应性方面具有明显优势。

值得注意的是，功能梯度涂层的制备过程不仅提高了材料性能，还为核聚变反应堆第一壁的制造和现场修复提供了一种高效且相对经济的解决方案。传统热喷涂技术在制备功能梯度涂层时，往往难以实现精确的成分控制，容易引入氧化物、脆性金属间化合物和孔隙等缺陷。而本研究通过喷雾造粒和爆破喷涂技术的结合，成功克服了这些挑战，实现了对涂层成分和性能的精确调控。这一成果为未来核聚变反应堆第一壁的设计和制造提供了新的思路和方法。

本研究的创新之处在于，首次通过喷雾造粒和爆破喷涂技术制备出具有精确成分控制和渐变性能的功能梯度涂层。这种方法不仅提高了涂层的质量，还降低了制造成本，为核聚变反应堆的工程应用提供了可行的路径。此外，研究团队还对不同体积比的复合粉末进行了系统分析，揭示了成分比例对涂层性能的影响规律。这些发现为后续的材料优化和工艺改进奠定了重要基础。

在实际应用中，功能梯度涂层可以用于核聚变反应堆第一壁的制造和现场修复。由于核聚变反应堆的运行环境极为严苛，第一壁材料需要具备长期的热稳定性和机械强度。而功能梯度涂层通过在不同层之间实现性能的渐变过渡，能够有效适应反应堆内部的温度梯度和热应力分布，从而延长材料的使用寿命。此外，该技术还可以用于修复受损的第一壁部件，提高反应堆的维护效率和经济性。

总的来说，本研究通过喷雾造粒和爆破喷涂技术的结合，成功制备出具有精确成分控制和性能梯度的功能梯度涂层，为解决钨与钢之间的连接难题提供了新的思路。该方法不仅提高了涂层的质量和性能，还为核聚变反应堆第一壁的制造和维护提供了可行的解决方案。未来，研究团队将继续优化材料成分和喷涂工艺，进一步提高功能梯度涂层的性能，以满足核聚变反应堆对材料的更高要求。