氦离子预注入对钨中氘滞留行为的影响

利用高能离子注入机和直线等离子体模拟装置,本文研究了高能氦离子预注入对氘等离子体辐照后钨中氘滞留行为的影响。采用FIB-SEM、TEM、GD-OES和TDS等分析方法,分析了氦离子预注入对钨中氘滞留行为的影响。结果表明：氦离子预注入在辐照损伤区域形成大量氦泡,钨经过氘等离子体辐照后,表面的氘泡数量明显低于未经过氦离子预注入的样品。GD-OES分析中可以看到在氦捕获位处氘滞留浓度明显升高,同时氦离子预注入增加了氘在钨中的扩散深度,结合TDS分析可知氦离子预注入增加了氘在钨中的滞留总量,这是由于氦离子预注入后,形成的缺陷又为钨中氘的俘获提供大量新的位点,从而导致钨中的氘滞留量明显提高。     

氘在低活化铁素体/马氏体钢相关再沉积层中的热脱附行为

采用直流磁控溅射法,在氩气和氘气混合气氛下溅射金属靶制备铁、铬及钨与氘的共沉积层,模拟核聚变装置中燃料等离子体作用下低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢第一壁材料表面再沉积层。分别考察了在磁控溅射腔室及直线等离子体模拟装置两种平台下,氘等离子体辐照对RAFM钢相关再沉积层中氘热脱附与滞留行为的影响。研究结果表明:氘与金属共沉积的RAFM钢相关涂层中,氘热脱附行为因受材料本身的组分和结构影响而存在差异;不同的氘等离子体辐照环境对氘在共沉积涂层中捕获形式的影响不同;总体而言,两种氘等离子体辐照后,均有大量氘滞留在RAFM钢相关再沉积层中,且氘总滞留量随氘等离子体辐照通量的增大而增大;铁基和钨基涂层中的氘滞留总量相当,均比铬基的低出1-2个数量级。     

反应磁控溅射制备CrN涂层的热稳定性

目的 研究了真空、大气2种环境下CrN涂层的热稳定性与氧化行为。方法 采用反应磁控溅射技术在(100)取向的P型单晶硅基底上制备了CrN涂层。利用真空热脱附谱(TDS)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)以及加装的能谱仪(EDS)等表征方法,研究了在不同温度下涂层的热稳定性与氧化行为。结果 在真空退火时,TDS结果表明CrN涂层中的N在664 ℃左右开始释放,在温度达到1 000 ℃时释放结束。而在温度高于900 ℃时释放速率和释放量开始迅速上升,在温度达到930 ℃时达到峰值。在加热过程中,涂层中的CrN相部分转变为Cr2N相,在温度达到1 000 ℃时,完全转变为CrSi2相。在大气环境中,当温度达到700 ℃时,涂层开始被氧化,涂层表面生成了一层约136 nm厚的致密氧化层,同时在氧化层下方生成了一层CrOxN1?x的过渡层,并且涂层也出现了Cr2O3的拉曼峰。当温度达到800 ℃时,Cr2O3氧化物拉曼峰和衍射峰的数量和强度显著增加,说明涂层表面生成的氧化物的结构由简单变为复杂,并且结晶性增强。此外,氧化物颗粒逐渐长大,氧化层厚度增加,在温度达到850 ℃时,氧化层厚度达到429 nm。当温度高于700 ℃时,CrN涂层沿着厚度方向的元素扩散行为是O元素的向内扩散和N、Cr元素的向外扩散,并且释放的N在氧化层下方富集,并没有释放出去。结论 CrN涂层在真空中的热稳定性在900 ℃左右,在大气中的热稳定性在700 ℃左右。在大气中致密的Cr2O3氧化层的形成对O元素的向内扩散和N、Cr元素的向外扩散具有很好的阻挡作用。氧化层的这种阻挡作用对涂层的内部起到保护作用,延缓了涂层进一步的氧化和分解,这是CrN涂层热稳定性较好的原因。     

CrN和CrAlN涂层热稳定性、力学和摩擦学性能研究

目的 针对现有刀具用硬质CrN及CrAlN涂层的热稳定性研究尚属空白,以及对其涂层摩擦学性能的影响尚不清楚等问题,开展CrN和CrAlN涂层的热稳定性、氧化行为、力学性能及摩擦磨损性能研究。方法 采用中频反应磁控溅射技术制备CrN和CrAlN涂层,利用真空热脱附系统、场发射扫描电镜、原子力显微镜、能谱仪、X射线衍射、拉曼光谱仪、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等探究2种涂层的结构、热稳定性、力学性能和摩擦学性能。结果 在真空温度为646 ℃左右时,CrN涂层开始发生N分解和释放,在885 ℃左右时N的释放速率达到峰值。CrAlN涂层在真空温度为722 ℃左右时才开始发生N分解和释放,而在1 000 ℃下N的释放速率并未达到峰值。在大气温度600 ℃下,CrN涂层开始发生氧化,并生成Cr2O3相,且Cr2O3层的厚度随着温度的升高而增加,在900 ℃时涂层完全氧化。CrAlN涂层在900 ℃时才开始发生氧化,生成更为致密的Cr2O3和Al2O3混合氧化层,阻止涂层进一步氧化。在大气高温条件下,CrAlN涂层均具有比CrN涂层更高的硬度和弹性模量。随着温度的升高,2种涂层的表面粗糙度逐渐增加,摩擦因数逐渐降低,CrAlN涂层在600、800 ℃下的表面粗糙度和磨损率均低于CrN涂层。结论 在真空下,CrAlN涂层中键能较高的Al-N共价键改善了涂层的热稳定性,提高了CrAlN涂层中N的分解温度。在大气中,CrAlN涂层具有比CrN涂层更高的抗氧化性、硬度和弹性模量,CrAlN涂层在高温氧化过程中生成了连续且致密的Cr2O3和Al2O3混合氧化层,能够减缓O原子向涂层内部的扩散。CrAlN涂层具有比CrN涂层更优异的耐磨性,更适合作为高温工况下服役的刀具和模具等易磨损材料的防护涂层。     

钨中氘热脱附特性的定量研究

金属钨(W)是未来聚变堆反应环境中面向等离子体的主要候选材料之一,开展W中氢同位素输运和滞留行为的定量研究,对评估钨的服役性能及聚变堆燃料的物料平衡至关重要。本工作采用热脱附谱方法定量研究了多晶W经能量为100 eV/D、注量为3.8×10²⁴ D/m²的D⁺辐照作用后,在不同升温速率下氘的热脱附特性。研究发现,氘的热脱附量在不同升温速率下均为10²² D₂/m²量级,随着升温速率的增大,氘的热脱附峰峰位向高温方向移动。多晶W中氘的热脱附行为符合一级反应特征,钨中空位是氘在钨中的主要俘获态,D原子的热脱附能为1.04 eV。