脉冲高压影响W涂层沉积应力的机理研究

TThe research on the plasma facing materials received widespread attention in the construction of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). The plasma facing materials is subject to extremely high thermal load in plasma rupture and slow transient process. For the realization of its functions and meet its requirements as a permanent part, on the basis of the selected material, it put forward high request to the plasma facing materials. In this project the author dedign an Pulsed bias magnetron sputtering for preparation monolayer film and gradient film on graphite and CFC.By adjusting experimental parameters to control the microstructures and intrinsic stress of the films, to lighten stress collection,to enhance the bond strength of the films.Experimental depth study of films thickness, discover the films microstructure between intrinsic stress and experimental parameters, establish the correlation between the microstructure with high thermal loads, thermal shock and thermal fatigue performance, reveals failure mechanisms of the films in the plasma environment.Through this study , the lay the theoretical basis foundation for W films as PFMs.

在国际热核实验堆(ITER)的建设中，对面向等离子体材料的研究受到普遍的关注。由于它们在等离子体破裂和慢瞬态过程中会受到极高的热负荷。为实现其功能和满足其作为永久性部件的要求，在选定材料的基础上，ITER对第一壁材料提出了很高的要求。本项目针对面向等离子体材料钨，提出一种高脉冲偏压磁控溅射技术在石墨或CFC基体上制备单一钨(W)涂层和梯度W涂层，通过工艺来控制W涂层显微结构与本征应力，缓解残余应力，提高涂层结合强度。实验深入研究涂层厚度，探索涂层显微结构、本征应力与工艺之间的规律，建立显微结构与高热负荷下的热冲击及热疲劳性能之间的关联模型，揭示W涂层在等离子体环境中的失效机理，试想通过此项研究，为W涂层用作面向等离子体材料奠定理论基础。

面向等离子体材料是聚变工程中非常关键和最为困难研制的材料之一，其设计与制造是聚变反应堆的核心技术之一。钨由于高熔点、优良的导热性能、低溅射产额和高自溅射阀值、以及低蒸气压和低的氚滞留性能等优点被认为是最有希望的核聚变装置面对等离子体材料。但是钨及其合金非常重且难以加工，物理气相沉积（PVD）在轻元素材料如碳材料上直接沉积而制作成面对等离子体部件解决的主要问题是涂层与基体之间低的附着力以及较高的杂质含量（如氧和碳等），因为它不改变现有装置的结构能克服这些缺点，能满足目前托卡马克装置实验需要。. 本项目选取石墨为基底材料，采用电弧离子镀、磁控溅射、磁过滤真空阴极弧和离子注入沉积等在石墨上成功沉积了一系列过渡层＋单层W涂层及复合多层W涂层，其中Cr、Ti和Si过渡层厚度：2~5微米，W涂层厚度5~10微米；通过PVD方法\沉积多层的Ti/W/Ti/W/Ti/W、Si/W/Si/W/Si/W和Cr/W/Cr/W/Cr/W涂层第一层厚度3~5微米，后面每层2~3微米，共计12~15微米。实验深入研究涂层厚度，探索涂层结构、本征应力与工艺之间的规律。结果表明三种过渡层中Ti过渡层和Si过渡层所制备涂层的性能较好，特别是Ti作为过渡层的涂层在沉积完后进行退火处理可以有效的改善涂层的结合强度，降低应力。对于Ti涂层分别选择了直流磁控溅射和电弧离子镀技术，研究发现二者所制备涂层性能较好，电弧离子镀技术所制备涂层的结合力优于磁控溅射技术，同时Ti涂层的结合力明显优于Cr过渡层所制备的涂层，且涂层应力低于Cr过渡层；对于Si制备的过渡层，在没有Si等离子体注入的情况下，Si和石墨的结合力较差，涂层应力较大，当引入Si等离子体注入时能明显的改善二者之间的结合强度。制备得到的PVD-W涂层进行了热负荷性能的相关测试。热冲击实验发生，Cr作为过渡层其热负荷性能最差，在很低的入射功率密度条件下，涂层会出现剥落等失效情况；Si作为过渡层可以承受5MW/m2热流；Ti作为过渡层可以承受7MW/m2热流。