[发明专利]一种基于低活化钢基材的钨铬合金涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种新型的基于低活化钢基材的钨铬合金涂层及其制备方法，属于合金材料技术领域。本发明所述基于低活化钢基材的钨铬合金涂层的钨含量为88～95wt％，铬含量为5～12wt％，钨铬合金涂层的组织呈单相固溶体，且钨、铬元素分布均匀。本发明的钨铬合金涂层组织未发生调幅分解，为钨、铬元素分布均匀的单相固溶体，该组织相比不均匀的两相组织拥有更好的抗辐照和自钝化性能，可避免核聚变发电站在LOCA事故时面临的核泄漏风险。

技术领域

本发明涉及一种新型的基于低活化钢基材的钨铬合金涂层及其制备方法，属于合金材料技术领域。

背景技术

钨-钢(钨及钨合金-低活化钢)构件是中国聚变工程实验堆和未来聚变堆第一壁的重要组成部分。但未来核聚变装置因人为或自然灾害而导致LOCA发生后，中子辐照后的钨由于核衰变，使真空室内温度十天后可达1000℃以上，并持续3个月以上(如未采取相应措施)，如果伴随真空室破裂引入空气，则具有放射性核素的W迅速氧化，形成易挥发性的WO₃(嬗变Re，Os)进入大气，引起核放射性泄露。

在钨中加入铬合金化，能够在LOCA事故工况下在材料表面形成致密的保护性的氧化铬，从而避免钨发生大量氧化，解决未来核聚变发电站可能面临的核泄漏风险。但目前钨铬合金的制备方法主要依靠粉末冶金技术，文献“Self-passivating tungsten alloys ofthe system W-Cr-Y for high temperature applications[J].Calvo,A,Schlueter,K,Tejado,E,等.International Journal of Refractory MetalsHard Materials,73:29-37.”该技术由于需要长时间在1550℃高温下进行保温，导致钨铬合金发生调幅分解形成不均匀的富铬区和贫铬区，以至于影响钨合金在服役和事故工况下的性能稳定性。因此，如何制备组织成分均匀的钨铬合金是目前聚变堆领域急需解决的问题。

同时，为保证导热效果，钨铬合金需与结构部件低活化钢紧密连接，保证钨-钢界面在运行工况的热循环过程中不开裂。但由于钨和钢的熔点、热膨胀系数差异巨大，导致钨-钢连接十分困难。真空等离子体喷涂、钎焊、扩散焊等技术都被应用于钨-钢连接中，但真空等离子体喷涂很难实现高致密涂层制备；钎焊多数采用复杂组成的液相钎料连接，温度较高且界面反应产物复杂；扩散焊容易生成连续的金属间化合物层；文献“低活化钢表面激光熔化沉积制备钨涂层工艺优化及组织性能研究[D].谢继昌.2019.”采用激光熔化沉积技术在低活化钢上制备了含钨涂层，该涂层由钨颗粒和富铁粘接相两相组成，在面临等离子体辐照时容易因溅射效应造成污染，同时无法应对LOCA事故。

现有方法难以制备组织成分优异的钨铬合金涂层，并同时实现钨铬合金涂层与低活化钢的大面积可靠连接。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种新的钨铬合金涂层。

为解决本发明的第一个技术问题，所述基于低活化钢基材的钨铬合金涂层的钨含量为88～95％，铬含量为5～12％，钨铬合金涂层的组织呈单相固溶体，且钨、铬元素分布均匀。

本发明所述的单相固溶体仅有一个相，并且在该相中钨、铬元素均匀分布。

优选的，所述钨铬合金涂层的硬度优选为770～880HV1。

优选的，所述钨铬合金涂层采用如下方法制备得到：

将钨粉和铬粉按照质量比88～95:5～12混合均匀，得到混合粉，在惰性气体气氛下，将所述混合粉用激光熔化沉积到洁净并且恒温的基材表面；

其中，所述激光熔化沉积的工艺参数设定如下：激光功率为800～1600W，扫描速率为300～600mm/min，送粉速率为5～20g/min，载粉气流量为5～15L/min，搭接量为0.8～1.2mm，抬升量为0.1～0.4mm。