RU2675194C1

RU2675194C1 - Method of strengthening tungsten plate surface

Info

Publication number: RU2675194C1
Application number: RU2017125886A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Кожевин; Максим Вадимович Горохов
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2018-12-17

Abstract

FIELD: manufacturing technology.SUBSTANCE: invention relates to the processing and hardening of the surface of a tungsten plate exposed to intense thermal loads, in particular, in fusion installations in which tungsten is used as the material of the first wall and the plates of the diverter. Impact on the surface of the tungsten plate with tungsten nanoparticles, accelerated by an electric field, and the form a tungsten film with a thickness of at least 100 nm on the surface of the tungsten plate. As tungsten nanoparticles, molten tungsten nanoparticles with a size of up to 3 nm are used, accelerated by an electric field to a speed above 10 cm/s. Above-mentioned tungsten particles are produced by ablation of a tungsten target by laser pulses of duration (20–50) ns, with a pulse radiation energy of at least 190 mJ and a laser radiation energy density on a tungsten target of at least 2⋅10 W/cm.EFFECT: simplified formation of a tungsten film on the surface of a tungsten plate and reducing the likelihood of the formation of microcracks on it when exposed to pulsed thermal loads.1 cl, 2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к способам обработки и упрочнения поверхности вольфрама для повышения его стойкости в процессах, в которых пластины вольфрама подвергаются интенсивным тепловым нагрузкам, в частности, в установках термоядерного синтеза, где вольфрам используют в качестве материала первой стенки и пластин дивертора.The invention relates to methods for processing and hardening a tungsten surface to increase its resistance in processes in which tungsten plates are subjected to intense heat loads, in particular, in fusion plants where tungsten is used as the material of the first wall and divertor plates.

Вольфрам рассматривается в качестве основного материала для термоядерных установок ИТЕР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) и ДЕМО (Demonstration Power Plant). Однако при высоких тепловых нагрузках происходит охрупчивание вольфрама, что делает его восприимчивым к образованию трещин вдоль границ зерен. Для решения проблемы образования трещин, обусловленных охрупчиванием вольфрама, ведутся разработки различных композитных материалов из вольфрама, в частности, наноструктурированных композитов вольфрама с карбидом титана и композитов вольфрама, армированных углеродными волокнами. Также, большое внимание уделяется наноструктурам вольфрама с развитой волокнистой поверхностью и способам формирования пластин вольфрама с различной структурой.Tungsten is considered as the main material for the ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) and DEMO (Demonstration Power Plant) thermonuclear installations. However, at high thermal loads, embrittlement of tungsten occurs, which makes it susceptible to cracking along grain boundaries. To solve the problem of cracking caused by embrittlement of tungsten, various composite materials from tungsten are being developed, in particular, nanostructured tungsten composites with titanium carbide and tungsten composites reinforced with carbon fibers. Also, much attention is paid to nanostructures of tungsten with a developed fibrous surface and methods for forming tungsten plates with different structures.

Известен способ упрочнения поверхности металла (см. заявка CN 102400084, МПК С23С 04/08; С23С 04/134, опубликована 04.04.2012), заключающийся в том, что микропорошок вольфрама пропускают через аргоновую плазму высокочастотного разряда, нагревают и плавят в плазме разряда, а затем наносят на обрабатываемую поверхность, где частицы вольфрама застывают и формируют покрытие из вольфрама. Способ обеспечивает формирование покрытия из вольфрама на поверхности металла, но импульс, передаваемый поверхности обрабатываемого металла от частиц вольфрама не достаточен для того, чтобы привести к изменению структуры зерен на поверхности обрабатываемого металла и привести к упрочнению его поверхности.A known method of hardening a metal surface (see application CN 102400084, IPC С23С 04/08; С23С 04/134, published 04.04.2012), which consists in the fact that the tungsten micropowder is passed through an argon plasma of a high-frequency discharge, heated and melted in the discharge plasma, and then applied to the surface to be treated, where the tungsten particles solidify and form a tungsten coating. The method provides the formation of a coating of tungsten on the metal surface, but the momentum transmitted to the surface of the treated metal from tungsten particles is not sufficient to lead to a change in the grain structure on the surface of the treated metal and to harden its surface.

Известен способ упрочнения поверхности металла с помощью технологии холодного воздушного динамического напыления микрочастиц вольфрама (см. заявка CN 102260869, МПК С23С 24/04; опубликована 30.11.2011). Способ заключается в нанесении на поверхность металла микрочастиц вольфрама (0,4-10 мкм), которые разгоняют до высоких скоростей (500-1000 м/с) с помощью сверхзвуковых струй газа.A known method of hardening a metal surface using the technology of cold air dynamic spraying of tungsten microparticles (see application CN 102260869, IPC С23С 24/04; published on November 30, 2011). The method consists in applying tungsten microparticles (0.4-10 μm) to the metal surface, which are accelerated to high speeds (500-1000 m / s) using supersonic gas jets.

Недостатком известного способа является то, что напыляемый слой из частиц вольфрама удерживается только силой адгезии на поверхности металла.The disadvantage of this method is that the sprayed layer of tungsten particles is retained only by the adhesion force on the metal surface.

Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков к настоящему техническому решению является способ упрочнения металлической поверхности, в том числе вольфрамовой, (см. заявка WO 2008090662, МПК С23С 24/04; С23С 26/02, опубликована 31.07.2008), включающий воздействие на поверхность металла ускоренными электрическим полем наночастицами вольфрама, и образование вольфрамовой пленки на поверхности металла. При этом для образования пленки и для упрочнения связи между металлом и наночастицами вольфрама на поверхность металла с нанесенными наночастицами вольфрама воздействуют электронным лучом, что обеспечивает плавление наночастиц.The closest in technical essence and in the aggregate of essential features to this technical solution is a method of hardening a metal surface, including tungsten, (see application WO 2008090662, IPC С23С 24/04; С23С 26/02, published July 31, 2008), including the action of tungsten nanoparticles accelerated by the electric field on the metal surface, and the formation of a tungsten film on the metal surface. Moreover, to form a film and to strengthen the bond between the metal and tungsten nanoparticles, an electron beam is applied to the metal surface with deposited tungsten nanoparticles, which ensures the melting of the nanoparticles.

Способ-прототип обеспечивает хорошую адгезию наночастиц вольфрама к поверхности металла, например, вольфрама, что обеспечивает упрочнение обрабатываемого металла, в результате которого повышается его стойкость к трещинообразованию, но приходится использовать достаточно сложный технологический процесс получения твердых наночастиц вольфрама и последующее воздействие на поверхность металла с нанесенными наночастицами электронным лучом, учитывая высокие температуры плавления вольфрама.The prototype method provides good adhesion of tungsten nanoparticles to the surface of the metal, for example, tungsten, which provides hardening of the metal being treated, which increases its resistance to cracking, but it is necessary to use a rather complicated process for producing solid tungsten nanoparticles and subsequent exposure to the metal surface with the applied nanoparticles with an electron beam, given the high melting points of tungsten.

Задачей настоящего технического решения являлась разработка такого способа упрочнения поверхности вольфрамовой пластины, который бы позволил упростить процесс образования вольфрамовой пленки на ее поверхности и при этом обеспечивал снижение вероятности образования микротрещин на поверхности вольфрамовой пластины при воздействии импульсных тепловых нагрузок.The objective of this technical solution was to develop such a method of hardening the surface of a tungsten plate, which would simplify the process of formation of a tungsten film on its surface and at the same time reduce the likelihood of microcracks on the surface of a tungsten plate under the influence of pulsed thermal loads.

Поставленная задача решается тем, что способ упрочнения поверхности вольфрамовой пластины включает воздействие на поверхность вольфрамовой пластины ускоренными электрическим полем до скорости выше 10⁴ см/с расплавленными наночастицами вольфрама размером до 3 нм, образованными абляцией вольфрамовой мишени импульсами лазерного излучения длительностью (20-50) не, с энергией излучения в импульсе не менее 190 мДж и плотностью энергии лазерного излучения на вольфрамовой мишени не менее 2⋅10⁸ Вт/см², и образование вольфрамовой пленки толщиной по меньшей мере 100 нм на поверхности вольфрамовой пластины. Новым в способе является то, что на поверхность вольфрама воздействуют уже расплавленными наночастицами вольфрама размером до 3 нм, ускоренными электрическим полем до скорости выше 10⁴ см/с. При этом упомянутые наночастицы образуются абляцией вольфрамовой мишени импульсами лазерного излучения длительностью (20-50) не с энергией излучения в импульсе не менее 190 мДж и плотностью энергии лазерного излучения на вольфрамовой мишени не менее 2⋅10⁸ Вт/см².The problem is solved in that the method of hardening the surface of a tungsten plate involves exposing the surface of a tungsten plate with an accelerated electric field to a speed above 10 ⁴ cm / s with molten tungsten nanoparticles up to 3 nm in size, formed by ablation of a tungsten target with laser pulses of duration (20-50) not , with radiation energy in the pulse is not less than 190 mJ and the energy density of the laser radiation on a tungsten target 2⋅10 least ⁸ W / cm ^2, and the formation of a tungsten film thickness n at least 100 nm on the surface of the tungsten plate. New in the method is that the surface of the tungsten is affected by already molten tungsten nanoparticles up to 3 nm in size, accelerated by the electric field to a speed above 10 ⁴ cm / s. Moreover, the said nanoparticles are formed by ablation of a tungsten target with laser pulses of duration (20-50) not with a radiation energy of at least 190 mJ per pulse and a laser energy density of at least 2 × 10 ⁸ W / cm ² on the tungsten target.

Обработка поверхности вольфрамовой пластины уже расплавленными и ускоренными электрическим полем до скорости выше 10⁴ см/с наночастицами вольфрама размером до 3 нм приводит не только к упрощению процесса по сравнению с прототипом, но и к повышению стойкости вольфрамовой пластины к образованию микротрещин при интенсивных импульсных тепловых нагрузках. Данный эффект достигается за счет поверхностной пластичной деформации и изменения структуры зерен в слое у поверхности обрабатываемого вольфрама при воздействии на него ускоренными расплавленными наночастицами вольфрама. Обработка поверхности вольфрамовой пластины настоящим способом позволяет избежать распространения микротрещин на поверхности вольфрамовой пластины.Surface treatment of a tungsten plate with already molten and accelerated electric field to a speed above 10 ⁴ cm / s of tungsten nanoparticles up to 3 nm in size not only simplifies the process compared to the prototype, but also increases the resistance of the tungsten plate to microcracking under intense pulsed thermal loads . This effect is achieved due to surface plastic deformation and changes in the grain structure in the layer near the surface of the tungsten to be treated when exposed to accelerated molten tungsten nanoparticles. The surface treatment of the tungsten plate in this way avoids the propagation of microcracks on the surface of the tungsten plate.

Настоящий способ упрочнения поверхности вольфрамовой пластины поясняется чертежом, где:The present method of hardening the surface of a tungsten plate is illustrated in the drawing, where:

на фиг. 1 приведена микрофотография необработанной пластины вольфрама после ее тестирования на стенде плазменной пушки;in FIG. 1 shows a micrograph of an untreated tungsten plate after testing it on a plasma gun stand;

на фиг. 2 показана микрофотография обработанной настоящим способом пластины вольфрама после ее тестирования на стенде плазменной пушки;in FIG. 2 shows a micrograph of a tungsten plate processed by the present method after testing it on a plasma gun stand;

Настоящий способ упрочнения поверхности вольфрамовой пластины осуществляют следующим образом. При лазерной абляции вольфрамовой мишени импульсами лазерного излучения поверхность мишени плавится, и из нее вылетают микрокапли расплавленного вольфрама. Также с мишени эродируются пары вольфрама, и в этих парах под действием лазерного излучения происходит оптический пробой, который создает плазму лазерного факела. Плазма лазерного факела разлетается по направлению от мишени к обрабатываемой пластине вольфрама. Микрокапли вольфрама в создаваемой плазме лазерного факела заряжаются до неустойчивого состояния и распадаются на расплавленные частицы размером до 3 нм. Расплавленные наночастицы вольфрама ускоряются электрическим полем до скоростей выше 10⁴ см/с и вместе с потоком вольфрамовой плазмы наносятся на поверхность пластины вольфрама. На поверхности пластины вольфрама формируется пленка толщиной по меньшей мере 100 нм, при этом под воздействием ударов расплавленных наночастиц о поверхность обрабатываемой пластины вольфрама происходит дробеструйная обработка пластины, которая обеспечивает упрочнение пластины вольфрама и повышение ее стойкости к образованию микротрещин при высоких импульсных тепловых нагрузках.The present method of hardening the surface of a tungsten plate is as follows. During laser ablation of a tungsten target with laser pulses, the target surface melts, and microdroplets of molten tungsten fly out of it. Also, tungsten vapors are eroded from the target, and in these vapors, under the action of laser radiation, an optical breakdown occurs, which creates a plasma of the laser plume. The plasma of the laser plume scatters in the direction from the target to the tungsten plate being processed. Microdroplets of tungsten in the created plasma of the laser plume are charged to an unstable state and decay into molten particles up to 3 nm in size. The molten tungsten nanoparticles are accelerated by an electric field to speeds above 10 ⁴ cm / s and, together with the tungsten plasma flow, are deposited on the surface of the tungsten plate. A film with a thickness of at least 100 nm is formed on the surface of the tungsten plate, while under the influence of impacts of molten nanoparticles on the surface of the tungsten plate being processed, the plate is shot blasted, which strengthens the tungsten plate and increases its resistance to microcrack formation under high pulsed thermal loads.

Однако, если энергия излучения в импульсе будет меньше 190 мДж, а плотность мощности лазерного излучения будет меньше, чем 2⋅10⁸ Вт/см², то микрокапли не будут заряжаться до неустойчивого состояния и диспергироваться до расплавленных частиц нанометрового размера. Нанометровые частицы ускоряются в электрическом поле заряженных капель микронного размера, соответственно без эмиссии нанометровых частиц не будет происходить ускорения потока частиц и эффект дробеструйной обработки пропадает.However, if the radiation energy in the pulse is less than 190 mJ, and the power density of the laser radiation is less than 2⋅10 ⁸ W / cm ² , then the microdroplets will not be charged to an unstable state and dispersed to molten particles of nanometer size. Nanometer particles are accelerated in the electric field of charged micron-sized droplets, respectively, without the emission of nanometer particles, there will be no acceleration of the particle flow and the shot-blasting effect disappears.

Если длительность импульса лазерного излучения будет меньше 20 не, то времени на зарядку и диспергирование капель микронного размера окажется недостаточно, соответственно в потоке частиц будет оставаться большое число крупных не разделившихся остатков микрокапель. Такие остатки будут создавать неоднородности в пленке, формируемой на обрабатываемой поверхности, а также препятствовать дробеструйной обработке поверхности. Тем самым ухудшается качество обработки, не происходит повышения стойкости обрабатываемого металла к высоким импульсным тепловым нагрузкам.If the laser pulse duration is less than 20 ns, then the time for charging and dispersing micron-sized droplets will not be enough; accordingly, a large number of large undivided microdrop droplets will remain in the particle stream. Such residues will create inhomogeneities in the film formed on the treated surface, as well as prevent shot blasting of the surface. Thus, the quality of processing is deteriorating, there is no increase in the resistance of the processed metal to high pulsed thermal loads.

Если длительность импульса лазерного излучения будет больше 50 нс, то интенсивный поток ионов из плазмы лазерного факела будет перегревать нанокапли вольфрама и испарять существенную их долю прежде, чем поток нанокапель достигнет обрабатываемой поверхности.If the duration of the laser pulse is more than 50 ns, then the intense ion flux from the plasma of the laser plume will overheat the tungsten nanodroplets and evaporate a substantial fraction of them before the nanodroplet flux reaches the treated surface.

Пример. Для экспериментальной проверки эффективности данного способа упрочнения вольфрамовой пластины для повышения ее стойкости к высоким импульсным тепловым нагрузкам были обработаны пластины вольфрама толщиной 3 мм и размерами 20×30 мм². Для этого мишень из вольфрама облучалась излучением лазера Nd:YAG с длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 26 не, с энергий в импульсе 200 мДж и частотой повторения импульсов 60 Гц. Излучение фокусировалось на поверхность мишени в пятно диаметром 1 мм. В процессе лазерной абляции с поверхности мишени эмитировались микрокапли вольфрама и заряжались в плазме лазерного факела до неустойчивого состояния. Зарядка микрокапель до неустойчивого состояния приводило к тому, что эти материнские капли эмитировали дочерние заряженные капли меньшего размера, которые также являлись неустойчивыми. Соответственно процесс носил каскадный характер. Дочерние капли ускорялись в электрическом поле материнских микрокапель. Оценки показывают, что каскадное деление останавливалось, когда размер капель достигал нескольких нанометров. При этом скорость наночастиц достигала 10⁴ см/с. Исследования показали, что для микрокапель вольфрама каскадное деление прекращалось, когда размер частиц достигает примерно 3 нм. На пластины вольфрама воздействовали этими ускоренными наночастицами вольфрама, из которых формировались пленки толщиной 100 нм. Контроль толщины пленок осуществляли с помощью профилометра Ambios Technology ХР1. Тестирование образцов на их стойкость к образованию трещин при высоких импульсных тепловых нагрузках проводили на стенде плазменной пушки, позволяющем создавать на поверхности исследуемых вольфрамовых пластин импульсные тепловые нагрузки, подобные тем, которые возникают на диверторных пластинах термоядерных установок ИТЕР и ДЕМО в случае реализации периферийной неустойчивости. Облучение образцов, находящихся при комнатной температуре, проводилось сериями из 15 импульсов гелиевой плазмы длительностью 15 мкс каждый, при плотности потока энергии на поверхность образцов 35 ГВт/м². Для выявления роли обработки образцов вольфрама настоящим способом одновременно с исследуемым образцом облучался образец-спутник, не подвергавшийся обработке настоящим способом. Анализ структуры образцов проводили по результатам измерений морфологии образцов на сканирующем микроскопе CamScan S4-90 FE. Было обнаружено, что на образцах, предварительно обработанных настоящим способом, число характерных трещин значительно меньше, чем на поверхности необработанных образцов вольфрама (фиг. 1, фиг. 2).Example. For experimental verification of the effectiveness of this method of hardening a tungsten plate to increase its resistance to high pulsed thermal loads, tungsten plates 3 mm thick and 20 × 30 mm ^{2 in} size were processed. For this, a tungsten target was irradiated with an Nd: YAG laser with a wavelength of 1.06 μm, a pulse duration of 26 ns, pulse energies of 200 mJ and a pulse repetition rate of 60 Hz. The radiation was focused on the target surface into a spot with a diameter of 1 mm. During laser ablation, tungsten microdrops were emitted from the target surface and charged in the plasma of the laser plume to an unstable state. Charging the microdroplets to an unstable state led to the fact that these mother droplets emitted daughter charged droplets of a smaller size, which were also unstable. Accordingly, the process was cascading in nature. The daughter droplets were accelerated in the electric field of the mother microdrops. Estimates show that cascade fission stopped when the droplet size reached several nanometers. In this case, the nanoparticle velocity reached 10 ⁴ cm / s. Studies have shown that cascade fission stopped for tungsten microdroplets when the particle size reached about 3 nm. Tungsten wafers were exposed to these accelerated tungsten nanoparticles, from which films 100 nm thick were formed. Film thickness was monitored using an Ambios Technology XP1 profilometer. Testing of the samples for their resistance to cracking at high pulsed thermal loads was carried out on a plasma gun bench, which made it possible to create pulsed thermal loads on the surface of the studied tungsten plates, similar to those that arise on the divertor plates of the ITER and DEMO thermonuclear installations in the event of the implementation of peripheral instability. The samples at room temperature were irradiated with a series of 15 pulses of helium plasma with a duration of 15 μs each, with an energy flux density to the surface of the samples of 35 GW / m ² . To identify the role of processing tungsten samples by the present method, a satellite sample that was not subjected to processing by this method was irradiated simultaneously with the test sample. Analysis of the structure of the samples was carried out according to the results of measurements of the morphology of the samples on a scanning microscope CamScan S4-90 FE. It was found that on samples pretreated by the present method, the number of characteristic cracks is much smaller than on the surface of untreated tungsten samples (Fig. 1, Fig. 2).

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали, что в образцах, обработанных настоящим способом, интенсивность образования микротрещин в вольфрамовых пластинах при высоких тепловых нагрузках оказывается ниже, чем в пластинах вольфрама не подвергнутых обработке.Thus, the experimental studies showed that in samples treated by this method, the rate of microcrack formation in tungsten plates at high thermal loads is lower than in untreated tungsten plates.

Claims

A method of hardening the surface of a tungsten plate, comprising exposing the surface of the tungsten plate to tungsten nanoparticles accelerated by an electric field and forming a tungsten film of at least 100 nm thick on the surface of the tungsten plate, characterized in that molten tungsten nanoparticles up to 3 nm in size are used accelerated by the electric field to a velocity greater than 10 ⁴ cm / s, wherein said tungsten particles obtained ablation tungsten misch or duration of laser radiation pulses (20-50) ns with the radiation energy in the pulse is not less than 190 mJ and the energy density of the laser radiation on a tungsten target 2⋅10 least ⁸ W / cm ^2.