阻氚用Fe-Al渗铝层表面稳态相Al2O3膜生长机理研究

为阐释Fe-Al渗铝层表面暂态相Al₂O₃膜向稳态相α-Al₂O₃膜的转变机理，探索稳态相α-Al₂O₃膜制备的氧化工艺参数范围，采用掠入射角X射线衍射仪、辉光放电光谱仪、聚焦离子束、透射电镜等，结合热重分析对CLAM钢基体Fe-Al渗铝层在940～980 ℃、1 Pa～20 kPa参数下的氧化生长行为进行了深入表征与机理分析。研究结果表明，在1 Pa～20 kPa氧分压范围内Al₂O₃膜生长初期反应速率常数随着氧分压的升高而增大，而后期反应速率常数反而随之下降；采用掠入射角X射线衍射仪对3～180 min氧化不同时期表面Al₂O₃膜的相结构进行了掠入射角分析，推测Al2O3膜的生长经历了从氧化初期形成暂态相γ-Al₂O₃（15 min）→过渡态相α-（Al_0.948Cr_0.052）₂O₃（30 min）→稳态相α-Al₂O₃（120～180 min）的演变过程，最短相转变时间约60～90 min，连续Al₂O₃膜厚度约2 000 nm；同时，结合聚焦离子束对30、120 min形成的Al₂O₃膜表面进行了精确定向切割制样，并采用透射电镜选区电子衍射分析验证了相转变前Al₂O₃膜结构为过渡态相α-（Al_0.948Cr_0.052）₂O₃（113），转变后为稳态相α-Al₂O₃（113），证实了Cr作为第三组元促进暂态相向稳态相α-Al₂O₃的转变规律。     

α/γ相比率调控对超音速等离子喷涂Al2O3阻氚涂层微结构及性能的影响

采用超音速等离子喷涂技术在中国低活化马氏体钢表面制备不同α/γ相比率的Al₂O₃阻氚涂层，研究了α/γ相比率调控对Al₂O₃涂层微观结构、力学性能和耐电化学腐蚀性能的影响。利用掠入射X射线衍射（GIXRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征Al₂O₃涂层的微观结构、粘结拉伸试验法和纳米压痕仪表征涂层的力学性能、动电位极化曲线法测试涂层的耐电化学腐蚀性能。研究结果显示：通过调控特征喷涂参数（CPSP），Al₂O₃涂层中α相含量从78.6%至24.4%可控调节，且孔隙率从2.8%降低至1.5%；α相含量为78.6%的Al₂O₃涂层硬度为(11.500±0.575) GPa，约为高γ相含量(75.6%)涂层的2倍；且高α相含量(78.6%)涂层的腐蚀电流密度较高γ相含量(75.6%)涂层的腐蚀电流密度低1个数量级。以上结果表明，高α相含量(78.6%)的Al₂O₃涂层具有更优异的力学性能、耐电化学腐蚀性能以及耐Cl^-扩散穿透能力，具有应用于聚变堆结构材料表面阻氚涂层的潜能。     

316L不锈钢包埋渗铝涂层制备及动力学研究

包埋渗铝技术是制备阻氚涂层常用工艺,其中形成的Fe-Al渗层微观组织对最终形成Al₂O₃涂层的阻氚性能有重要影响。选取AlCl₃(1 wt%)为催化剂,在316L不锈钢基体表面上开展了粉末包埋渗铝工艺试验,采用扫描电镜、X射线能谱分析、X射线衍射等测试手段,分析了渗铝温度和保温时间对基体表面Fe-Al渗层的相结构、微观结构、成分组成的影响,并建立了渗铝过程的动力学模型。试验结果表明：渗铝层由铁铝相组成,存在一定量的铁铝铬、铁铝镍析出物;高的渗铝温度有利于渗铝层的生长,1 023 K以上渗铝层出现明显分层现象;延长渗铝时间能够提高Fe-Al渗层的厚度,但对其物相组成没有影响。根据以上结果,对Fe-Al渗层形成过程进行动力学分析,发现渗铝温度对渗层生长速率的影响符合Arrhenius关系,获得了316L不锈钢包埋渗铝的Arrhenius活化能约为79.23 kJ·mol^-1。同时,拟合出了渗铝时间与涂层厚度的关系式为h=14.585t^1/2+19.514。     

候选材料在650 ℃超临界水中的腐蚀行为研究

研究了3种候选材料（347、HR3C和In-718）在650 ℃、25 MPa去离子水中的均匀腐蚀行为,使用场发射扫描电镜（FEG-SEM）和能谱（EDS）观察了不同腐蚀时间的表面氧化膜形貌与合金元素分布,使用掠入射X射线衍射（GIXRD）分析了氧化膜相结构。结果表明,3种材料腐蚀失重均符合抛物线规律,347的失重为HR3C和In 718的40倍以上;3种材料氧化膜均以Ni(Cr, Fe) ₂O₄为主,In-718点蚀严重,347氧化膜明显脱落,HR3C氧化膜较均匀致密;高温超临界水中,提高合金的Cr含量有助于增强均匀腐蚀性能,添加Nb有损合金的点蚀抗力。     

基于二维X射线衍射技术的TiH2薄膜残余应力分析

氢化钛（TiH₂）的多数X射线衍射(XRD)峰与Mo的衍射峰峰位很接近,采用传统θ-2θ扫描X射线衍射方法很难获得Mo基底上TiH₂薄膜的较好的衍射峰形。本文采用XRD分析了Mo基底上TiH₂薄膜的残余应力,为获得足够的薄膜衍射信息,通过掠入射二维X射线衍射法消除了薄膜基底衍射信号对薄膜衍射峰的干扰影响。采用纳米压痕仪测得的TiH₂薄膜样品的弹性模量及TiH₂薄膜的（311）衍射晶面,利用掠入射二维X射线衍射法和侧倾法测定了TiH₂薄膜样品中不同深度范围的残余应力。测试结果表明,在TiH₂薄膜样品中,随着深度的增加,薄膜样品中的残余应力由张应力逐渐转变为压应力,且张应力和压应力均表现为呈椭圆形分布的正向应力。     

Fe-Al/Al2O3阻氚涂层热处理条件对HR-2不锈钢力学性能影响

采用室温力学拉伸试验、显微硬度测试、X射线衍射及组织观察等方法研究了“室温熔盐电镀铝+热处理+选择性氧化”工艺路线制备Fe-Al/Al₂O₃阻氚涂层热处理过程对HR-2奥氏体不锈钢力学性能及显微组织的影响。结果表明：经热处理后的HR-2不锈钢仍然保持奥氏体组织;980 ℃热处理180 min时抗拉强度为580.48 MPa,硬度值为177.92 HV,伸长率为79.43%,具有优异的塑韧性;700 ℃热处理150 h时抗拉强度为616.47 MPa,硬度值为213.34 HV,伸长率为63.32%;经热处理后的HR-2不锈钢基体力学性能变化不大。现行的涂层制备工艺对基体材料影响较小,满足微观结构与力学性能指标。     

含铝奥氏体耐热钢在超临界二氧化碳中的腐蚀行为

研究了20Cr-25Ni合金和一种新型结构材料含铝的奥氏体耐热钢（AFA钢）在600℃/20 MPa的超临界二氧化碳（S-CO₂）环境中的腐蚀行为,并对2种合金的氧化膜形貌、成分和结构进行分析。研究发现,20Cr-25Ni合金出现明显的腐蚀增重增长趋势,表现出“抛物线”上升规律;AFA钢腐蚀增重趋势缓慢,腐蚀1000 h后仅为2.11 mg/dm2。20Cr-25Ni合金表面出现粗大的氧化产物,随腐蚀时间延长,AFA钢的氧化膜始终保持致密、连续。通过氧化膜的截面形貌分析发现,20Cr-25Ni合金腐蚀后具有两层氧化膜结构,主要由Fe₃O₄和FeCr₂O₄氧化层以及少量尖晶石组成。而AFA钢中出现了3层氧化膜结构,中间和最内层分别为Cr₂O₃和Al₂O₃氧化膜,最外层分布了一层不连续的FeCr₂O₄尖晶石氧化物。由于形成了致密的Al₂O₃氧化膜,AFA钢的抗腐蚀性能大幅提升。      

ATF用ODS-FeCrAl管材的耐腐蚀性能研究

针对尺寸为Φ9.5 mm×0.3 mm的氧化物弥散强化（ODS）-FeCrAl管材在360℃/18.6 MPa/100 d静态水溶液、360℃/18.6 MPa/1200 ppm B+2.2 ppm Li/100 d（1 ppm=10?6）动态水溶液、1200℃/0.1 MPa/8 h水蒸气中的腐蚀行为进行研究,利用扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）等检测方法,分析管材表面氧化膜形貌、组织结构和元素分布。结果表明,360 ℃水溶液中极低的氧浓度使得ODS-FeCrAl管材在静态和动态水溶液的腐蚀产物主要是Fe₃O₄,质量增重分别为0.036 mg/cm2和0.36 mg/cm2,氧化膜厚度分别为管壁厚度的0.072%和0.72%;1200℃水蒸气腐蚀时,高温和充足的氧含量促使管材表面生成平均厚度为2.34 μm的α-Al₂O₃膜,延缓基体进一步氧化;腐蚀后的氧化膜表面和截面未发现开裂、孔洞等缺陷。与Zr-4管材参比试样相比,ODS-FeCrAl管材表现出优异的高温抗氧化、抗腐蚀性能。      

AP1000一回路氧化膜特性研究

AP1000与一般压水堆不同的是其一回路采用注锌加氢技术,使其一回路氧化膜特性发生变化。试验在高压釜中模拟AP1000一回路水化学工况,研究F304L、F316、690三种反应堆主工艺设备材料表面生成的氧化膜特性。结果表明,氧化膜为双层结构,外层氧化膜成分主要是Fe₂O₃及Fe₃O₄。F304L不锈钢与F316不锈钢内层氧化膜主要是ZnCr₂O₄,注入的Zn元素取代了FeCr₂O₄中的铁元素,形成了致密的ZnCr₂O₄ 氧化层,内层氧化膜存在少量ZnO和ZnFe₂O₄。690合金的氧化膜内层为ZnCr₂O₄,同时存在较高含量的ZnO和ZnFe₂O₄。与前两者不同的是,690合金的氧化膜含少量的二价镍,以NiFe₂O₄和NiCr₂O₄形式存在。加锌加氢使得氧化膜更加致密,也明显变薄。     

Al2O3覆盖层制备工艺对YSZ涂层耐熔盐腐蚀性能的影响

高密度石墨(HDG)由于其良好的抗热震性和高温强度,被认为是极具应用前景的坩埚候选材料之一。然而,熔盐电解法处理乏燃料过程中,高密度石墨坩埚会与高温氯化物熔盐、乏燃料等具有腐蚀性的介质直接接触,从而对坩埚造成腐蚀,影响坩埚的稳定性和使用寿命。坩埚表面等离子喷涂的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)涂层被证实具有优异的性能,但是涂层本身所存在的孔洞、裂纹以及液滴等缺陷严重制约了YSZ涂层在高温下的性能。因此,通过密封处理方法来提高涂层的致密度显得尤为迫切。本文利用磁控溅射(PVD)法和金属有机分解(MOD)法在等离子喷涂的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)涂层表面制备了Al₂O₃覆盖层,研究了这两种方法制备的Al₂O₃覆盖层对YSZ涂层在NaCl-KCl熔盐中的抗腐蚀性能的影响,并利用SEM、EDS、XRD等对腐蚀前后涂层的形貌以及微观结构进行了详细表征。结果表明：PVD法制备的Al₂O₃覆盖层主要分布于YSZ涂层表面,使其表面致密度得到一定程度提升,但涂层内部的致密度以...     

Investigation of Stable Al2O3 Scale on Fe-Al Aluminized Coating for Tritium Barrier

It is well known that α-Al₂O₃ phase has stablility performance, high permeation reduction factor and good resistance performance in liquid LiPb, which is considered as the reference tritium barrier coating in future fusion reactor. In order to study the formation mechanism of stable α-Al₂O₃ scales on fusion structure material, the oxidation behavior of Fe-Al aluminized coating on China Low Activated Martensitic （CLAM） steel was investigated under the oxygen partial pressure from 1 Pa to 20 kPa at the temperature of 940-980 ℃. The Al₂O₃ scales were analyzed by thermogravimetric analysis meter, grazing angle X-ray diffractometer, glow discharge spectrometer, focused ion beam and transmission electron microscope. A single continuous Al₂O₃ scales with the maximum thickness of about 2 000 nm was formed on the diffusion Fe-Al aluminized layer. Thermogravimetric analysis results show that the higher oxidation rate constant is achieved while increasing the oxygen partial pressure, and then oxidation rate constant decreases. The phase transformation of Al₂O₃ scales on the surface of Fe-Al aluminized coating was studied during different oxidation time ranges from 3 min to 180 min. The metastable γ-Al₂O₃ and α-（Al0.948Cr0.052）₂O₃ phases is formed in the earlier oxidation process and finally transformed to stable α-Al₂O₃ phase. The features of the transient α-（Al0.948Cr0.052）₂O₃（113） and α-Al₂O₃（113） were detected by GXRD and then confirmed by focused ion beam and transmission electron microscope.     

Argon irradiation damage at a Cu/Al2O3 interface for different alumina structures

The evolution of damages at a Cu/Al₂O₃ device interface after Ar⁺ irradiation, depending on alumina structure, and the effect of surface roughness on sputtering have been studied. A polycrystalline Cu/Al₂O₃ bilayer and polycrystalline Cu on amorphous alumina were irradiated with 400 keV Ar⁺ ion beam at doses ranging from 5 × 10¹⁶ to 10¹⁷ Ar⁺/cm² at room temperature. The copper layer thicknesses were between 100 and 200 nm. RBS analysis was used to characterize the interface modification and to deduce the sputtering yield of copper. The SEM technique was used to control the surface topography. A RBS computer simulation program was used to reproduce experimental spectra and to follow the concentration profile evolutions of different elements before and after ion irradiation. A modified TRIM calculation program which takes into account the sputtering yield evolution as well as the concentration variation versus dose gives a satisfactory reproduction of the experimental argon distribution. The surface roughness effect on sputtering and the alumina structure influence at the interface on mixing mechanisms are discussed.     

DBD plasma assisted atomic layer deposition alumina barrier layer on self-degradation polylactic acid film surface

In this work, the plastic of polylatic acid(PLA) film is coated by alumina(Al_2O_3)through dielectric barrier discharge plasma assisted atomic layer deposition(DBD PA-ALD) for the proposal of the barrier property enhancement. The influence of ALD Al_2O_3 thickness on properties of barrier, mechanical, optical and degradation is investigated in detail. It is obtained that the growth rate of Al_2O_3 in DBD PA-ALD is as quick as 0.12 nm/cycle. After coated～40 nm Al_2O_3, the water vapor transmission rate of PLA is reduced by two orders of magnitude.Additionally, it is noticed that the tension strength of the coated film is improved slightly,whereas the light transmission rate is decreased with the increase of Al_2O_3 thickness. The degradation test shows that Al_2O_3 coating almost does not affect the self-degradation rate of PLA film.     

我国聚变堆结构材料表面阻氚涂层的研究进展

阻氚涂层是聚变堆实现氚自持及氚安全的关键科学与技术问题之一。我国通过国家磁约束聚变能发展研究专项依托国内优势单位部署了阻氚涂层基础问题及工程化技术研发工作。本文介绍了国内外聚变堆结构材料表面阻氚涂层研究进展,重点评述了近几年我国在阻氚涂层的材料选择、制备技术及阻滞氢渗透机制三个科学技术问题的研究进展,提出今后的研究方向。目前我国阻氚涂层材料类型以氧化物涂层为主,涂层制备工艺技术在不断优化和更新。Al2O3/FeAl阻氚涂层的电化学沉积铝(ECA)、粉末包埋渗铝(PC)及热浸铝(HDA)等方法的工艺处理规模及涂层阻氚性能在国际上均相对领先。发展了研究阻氚涂层阻滞氢渗透作用机理的方法,将通常基于Fick定律的表象研究方法向原子级方法前推了一步。未来需在考虑涂层制备工艺与基体材料成分、性能的关系及其在复杂形状结构件的适用性基础上,开发长寿命、高阻氚性能的阻氚涂层材料及制备工艺。     

Atomic mixing at metal–oxide interfaces by high energy heavy ions

We study the atomic mixing at metal (Bi or Au)/oxide (SiO₂ or Al₂O₃) interfaces under 150–200 MeV heavy ion irradiation. Irradiation-induced interface mixing state is examined by means of Rutherford backscattering spectrometry (RBS). For Bi/Al₂O₃ interfaces, the heavy ion irradiations induce a strong atomic mixing and the amount of the mixing increases with increasing the electronic stopping power for heavy ions. By comparing the results with that for 3 MeV Si ion irradiation, we conclude that the strong atomic mixing observed at Bi/Al₂O₃ interfaces is attributed to the high-density electronic excitation. On the other hand, for other interfaces (Bi/SiO₂, Au/Al₂O₃ and Au/SiO₂), atomic mixing is rarely observed after the irradiation. The dependence of atomic mixing on combinations of irradiating ions and interface-forming materials is discussed.     

基于铌酸银的耐高温放射性碘吸附剂的制备及性能

通过机械混合法制备了一种基于铌酸银(AgNbO_3)的耐高温放射性碘吸附剂(AgNbO_3/Al_2O_3)。和常规载银吸附剂(Ag/Al_2O_3)相比,AgNbO_3/Al_2O_3吸附剂的吸附性能更为稳定;特别是在650℃以上时,其对放射性碘的去污因子远高于常规载银吸附剂。表征测试结果表明,该吸附剂结构稳定性良好,可耐受较长时间的高温。热重测试和高温脱附试验等结果表明,碘化银在AgNbO_3/Al_2O_3吸附剂表面稳定性的提高是该吸附剂在高温时吸附性能更佳的主要原因,其将来有望用于核事故中的应急处置。