СПОСОБ СОЗДАНИЯ МЕДНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛЬНОЙ ФОЛЬГЕ ДЛЯ ПРИЕМНОЙ ПЛАСТИНЫ ДИВЕРТОРА ТОКАМАКА
METHOD FOR CREATING A COPPER COATING ON STEEL FOIL FOR THE RECEIVING PLATE OF A TOKAMAK DIVERTOR

Изобретение относится к области термоядерной техники и может быть использовано для создания приемной пластины дивертора токамака, основанного на концепции текущего слоя жидкого лития.
Известно [1], что в концепции жидколитиевого дивертора, тонкий слой жидкого лития должен медленно стекать по гладкой поверхности диверторной пластины, поддерживающей этот слой, собираться внизу, затем за пределами вакуумной камеры подаваться вверх, вводиться в вакуумную камеру и распределяться по верхней части пластины. При медленном вязкостном течении лития в поле силы тяжести нет взаимодействия с магнитным полем. Литий будет выполнять функцию защиты приемной пластины от тепловых нагрузок и функцию 100 процентного поглотителя неограниченного количества трития. Критическая часть конструкции - приемная пластина дивертора с жидким литием свободно стекающим по ней.
Известен способ создания приемной пластины, в котором для защиты от коррозии на толстый теплоотводящий слой меди наносится методом пайки тонкое покрытие из нержавеющей стали толщиной до 0,5 мм [2]. Основным недостатком такого способа является плохая адгезия покрытия из нержавеющей стали к меди, которое не выдерживает длительные термоциклированные испытания при температуре 200-500°С и отслаивается, что в свою очередь приводит к быстрому разрушению пластины под действием лития.
Также диверторную пластину из тонкого слоя нержавеющей стали и толстого слоя меди можно создать нанесением меди на сталь.
Наиболее близким по технической сущности и принятым в качестве прототипа является способ получения защитного металлического покрытия на поверхности изделия из алюминия и сплавов на его основе [3], включающий в себя размещение изделия в зоне обработки, создание вакуума в зоне обработки, очистку поверхности пучком ионов и осаждение металлического покрытия с одновременной подачей на изделие отрицательного напряжения смещения. Очистку поверхности осуществляют пучком ионов инертного газа с энергией в диапазоне 1-5 кэВ. Осаждение покрытия осуществляют в два этапа. Вначале на поверхность осаждают промежуточный слой покрытия из меди толщиной от 0,5 мкм до 3 мкм в магнетронном разряде постоянного тока, горящем в среде инертного газа, с твердым катодом из меди при мощности разряда 1-2,5 кВт. Затем расплавляют катод из меди при мощности разряда 3-6 кВт с повышением температуры катода до величины, обеспечивающей достаточное давление паров меди для поддержания магнетронного разряда, прекращают подачу инертного газа и осаждают основной слой покрытия из меди толщиной 2-10 мкм в магнетронном разряде, горящем в парах меди. Слои покрытия осаждают при отрицательном напряжении смещения на изделии до 300 В и температуре поверхности 100-300°С. Основным недостатком данного метода является невозможность создания толстого покрытия до 10 мм с хорошей адгезией покрытия к подложке и стойкостью к длительному термоциклированию при температурах 200-500°С.
Технический результат изобретения направлен на разработку способа создания медного покрытия толщиной до 10 мм на стальной фольге для приемной пластины дивертора токамака, обладающего хорошей адгезией и стойкостью к термоциклированию.
Технический результат достигается способом создания медного покрытия на стальной фольге для приемной пластины дивертора токамака включает в себя размещение изделия в зоне обработки, создание вакуума в зоне обработки, очистку поверхности ионами инертного газа, осаждение промежуточного слоя из меди в магнетронном разряде постоянного тока, горящем в среде инертного газа при мощности разряда 1,0-2,5 кВт и последующее создание основного покрытия из меди. В отличие от прототипа очистку поверхности образца осуществляют ионами аргона в плазме аномального тлеющего разряда при напряжении разряда до 700 В, мощности разряда до 2,5 кВт и рабочем давлении 1,0 Па в течение времени до 30 минут, во время очистки поверхности происходит нагрев образца до температуры 500°С, нанесение промежуточного слоя меди происходит на нагретую свыше 500°С поверхность образца в течение периода времени более 60 минут. После чего образцы охлаждают в среде аргона до достижения комнатной температуры, развакуумируют, покрывают всю поверхность образца с нанесенным на него промежуточным слоем, медной стружкой, создают вакуум, обрабатывают поверхность образца вместе со стружкой в плазме аномального тлеющего разряда при напряжении разряда до 700 В, мощности разряда до 2,5 кВт и рабочем давлении 1,0 Па в течение времени до 30 минут, и создают основное покрытие из меди толщиной до 10 мм методом нагрева образца, покрытого медной стружкой, с помощью нагревателя до температуры плавления меди, после чего нагреватель выключают и образец охлаждают в среде аргона до достижения им комнатной температуры.
Технический результат достигается благодаря следующему.
Обработка поверхности образца в течение времени до 30 минут в плазме аномального тлеющего разряда в аргоне при напряжении разряда до 700 В и мощности до 2,5 кВт позволяет не только очистить поверхность образца и медной стружки от оксидов и сторонних примесей и активировать химические связи, но и нагреть до 500°С.
Нанесение промежуточного слоя в плазме магнетронного разряда в течение времени более 60 минут позволяет нагревать поверхность образца до температур свыше 500°С и наносить равномерное покрытие с хорошей адгезией к подложке.
Нанесение промежуточного слоя меди на нагретую свыше 500°С поверхность образца позволяет улучшить адгезию наплавляемого медного покрытия с подложкой из стали за счет лучшего проникновения меди внутрь подложки в следствие диффузии.
Нанесение основного покрытия из меди методом расплавления с помощью нагревателя медной стружки размещенной на поверхности образца с нанесенным промежуточным медным слоем в вакууме позволяет создать покрытие толщиной до 10 мм, имеющее хорошую адгезию к подложке и выдерживающее термоциклирование при температурах 200-500°С.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где проиллюстрирован заявляемый способ:
на фиг. 1 показана принципиальная схема установки для создания медного покрытия на стальной фольге для приемной пластины дивертора токамака;
на фиг. 2а - фотография образца с нанесенным медным покрытием толщиной 5 мм;
на фиг. 2б - поперечное сечение покрытия, сделанное с помощью растрового электронного микроскопа Hitachi ТМ-1000.
На фиг. 1 обозначено: образец 1, держатель образца 2, вакуумная камера 3, катод с медной мишенью 4, форвакуумный насос 5, турбомолекулярный насос 6, индукционный нагреватель 7, планарный магнетрон 8.
На фиг. 2б обозначено: образец из нержавеющей стали 9, медное покрытие 10.
Пример конкретного осуществления способа.
Был использован образец из фольги размерами 100×120 мм и толщиной 0,1 мм, изготовленной из нержавеющей стали. Предварительная обработка образца осуществлялась в ультразвуковой ванне последовательно в среде ацетона и спирта в течение 10 минут. В качестве мишени для распыления использовалась медь (чистотой 99,9%), для создания основного покрытия использовалась медная стружка (чистота меди 99,9%). В качестве рабочего инертного газа использовался аргон (чистотой 99,9%).
-4
-1
Образец 1 размещался в вакуумной камере 3 с помощью держателя образца 2 на расстоянии 50 мм от катода с медной мишенью 4. Камера 3 откачивалась форвакуумным 5 и турбомолекулярным 6 насосами до остаточного давления 1×10 Па. Предварительную обработку образца осуществляли ионами аргона в плазме аномального тлеющего разряда при напряжении разряда 700 В, мощности 2,0 кВт и рабочем давлении 1,0 Па в течение 30 мин с целью очистки и нагрева поверхности. Температура образца в процессе очистки достигала 500°С. Контроль температуры осуществляли термопарой хромель-алюмель. Далее проводили нанесение промежуточного слоя меди в стационарном магнетронном разряде при мощности разряда до 2,0 кВт и рабочем давлении 10 Па в течение 120 минут. В процессе осаждения промежуточного слоя температура образца составляла 700°С.
После чего образец охлаждали в среде аргона до достижения комнатной температуры, камеру развакуумировали и на поверхность образца с нанесенным на него промежуточным слоем размещали медную стружку так, чтобы она покрывала всю поверхность образца.
-4
Далее камера откачивалась форвакуумным 5 и турбомолекулярным 6 насосами до остаточного давления 1×10 Па, зажигался аномальный тлеющий разряда при напряжении разряда 700 В, мощности 2,0 кВт и рабочем давлении 1,0 Па с целью очистки и нагрева поверхности образца и медной стружки, осуществлялась обработка аномальным тлеющим разрядом в течение 30 минут, после чего включали индукционный нагреватель 7 и создавали основное покрытие из меди методом нагрева образца с помощью нагревателя 7 до температуры плавления, затем нагреватель выключали и образец охлаждали в среде аргона до достижения им комнатной температуры.
Толщина полученного основного покрытия составила 5 мм (Фиг. 2а). Поперечное сечение границы раздела медь-нержавеющая сталь показано на Фиг. 2б. Фотография сделана на растровом электронном микроскопе Hitachi ТМ-1000. На Фиг. 2б видно, что медь вследствие диффузии проникла внутрь нержавеющей стали на глубину до 10 мкм, что обеспечило хорошую адгезию покрытия к подложке, при этом сформировалась волнистая граница раздела, которая демпфирует напряжения, возникающие в результате несоответствия коэффициентов теплового расширения стали и меди при изменении температуры.
Стационарные термоциклические испытания проводились по ГОСТ Р 51368-99. Нагрев стального образца с нанесенным покрытием осуществляется в диапазоне 200-500°С. Выдержка при максимальной температуре составляла 5 секунд. Охлаждение образца было естественное. Количество циклов - 100. Интервал между циклами составлял 1 минуту. Образец выдержал испытания, при этом на его поверхности не возникали пятна перегрева с температурой, превышающей температуру испытания на 20%.
Таким образом, был разработан способ создания медного покрытия на стальной фольге для приемной пластины дивертора токамака, приводящий к хорошей адгезии покрытия к подложке и стойкостью к термоциклированию.
Источники информации
1. Kravalis K. et al., A cooled divertor module for plasma treatment. Патент EP2849184 от 18.03.2015 г. МПК: G21B1/13, заявка № LV20130000131, дата приоритета 12.09.2013 г.
2. Yang Q.X. et al., Design of flowing liquid lithium device for HT-7 tokamak // Fusion Engineering and Design. - 2013. - Vol. 88. - P. 1646-1649.
3. Зибров M.C., и др. Способ защиты поверхности алюминия от коррозии. Патент № RU 2522874, МПК: С23С 14/35, С24С 14/16, заявка № 2013115138/02, дата приоритета 05.04.2013.