纳秒脉冲激光熔覆温度场计算及薄膜飞溅机制分析

实验上采用磁控溅射在铀、不锈钢、铝基底上分别沉积钼、铌、铝等薄膜后采用纳秒激光熔覆,薄膜发生飞溅,未能形成熔覆层。针对这一问题,采用有限元方法分析了脉冲激光作用的温度场,并对瞬时热膨胀造成薄膜垂直于表面的运动进行了分析。计算以及分析结果表明:由于界面热阻,纳秒激光熔覆薄膜与基底存在较大的温度差,在本例计算铝薄膜与基底温差超过450℃。瞬时热膨胀导致薄膜具有向外的速度以及动能。当薄膜动能大于拉伸断裂所需要克服的弹性以及塑性变形能量,薄膜将发生飞溅。理论分析还表明存在一个临界的光束尺寸,当光束小于该尺寸,薄膜不会发生飞溅,熔覆能够发生,对于准分子激光,光束尺寸达微米量级薄膜不会飞溅。     

铀上激光辅助化学气相沉积镍薄膜研究

为防止金属铀的腐蚀,本文采用激光辅助化学气相沉积(LACVD)方法在铀上制备了镍薄膜。采用SEM、XRD分析了薄膜的形貌、物相以及界面特性,采用黏胶拉伸测试表征了膜-基结合性能,采用电化学极化法分析了薄膜的抗腐蚀性能。结果表明:压力和温度对化学气相沉积(CVD)方法制备镍薄膜的质量有较大的影响。随着基底温度和沉积气压的降低,薄膜变得致密、平整,质量提高。在优化的工艺条件165℃、3Pa下,CVD方法所得镍薄膜非常致密。采用LACVD方法时,激光能量为200mJ时所制得的薄膜致密,300mJ时膜变得粗糙。无激光辅助时,CVD方法所制得的薄膜较易剥落,激光辅助下所得薄膜的膜-基结合力较好。LACVD方法大幅提高了薄膜的抗腐蚀性能,抗腐蚀性能的提高主要源于激光辅助使薄膜致密化,提高了薄膜与基底的结合力。     

辉光等离子体氮化铀表面的氢腐蚀

采用辉光等离子体氮化方法制备铀表面氮化样品。俄歇电子能谱和X射线衍射对样品的分析表明,铀表面形成了厚约250 nm、主要成分为α-U₂N_3+x的氮化层,氮化层与基体之间具有平缓的过渡层,且氮在金属铀的基体内有一定扩散。与轻微氧化样品氢腐蚀的对比实验表明,氮化处理使样品表面缺陷密度减少,改性层对氢吸附、扩散有阻挡作用,氢蚀形核较慢且其生长明显受到改性层的抑制,这表明铀表面辉光等离子体氮化可作为延缓氢腐蚀的有效手段。     

U-2.5% Nb合金表面的氢蚀特性

利用气固反应系统对U-2.5%Nb合金表面进行了氢化,采用体视显微镜原位观察U-2.5%Nb合金的氢蚀,利用X射线衍射(XRD)、激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)和扫描电镜(SEM)表征该合金氢化前后的成分及形貌。结果表明:在70℃、氢压为一个大气压的气氛中,U-2.5%Nb合金的氢化反应速率很高,氢化后形成了UH3化合物;合金表面氢蚀点边缘并非圆滑,而是呈条状优先形核相向外凸出。U-2.5%Nb合金表面氢化腐蚀的机制是:贫铌α相的氢蚀速率大于富铌γ1-2相的而优先发生氢蚀,随后贫铌α相之间的γ1-2相也相继发生氢蚀而连成一片后迅速长大。