不锈钢表面包埋渗铝-热氧化处理制备氧化铝膜及其对氢渗透的影响

研究了一种在不锈钢(00Cr17Ni14Mo2和1Cr18Ni9Ti)表面渗铝,形成富铝表层,再原位氧化生长Al2O3膜层的防氚渗透新材料技术,用氢来模拟氘、氚在材料中的渗透行为.分析了渗铝表层的形貌、结构以及渗铝层的成分分布.结果表明渗铝层呈致密结晶组织,主要由FeAl相组成;渗层呈多层结构,外层约25 μm,过渡层约5 μm和内层约30 μm,各亚层间及渗层与基体间结合紧密,无裂缝;渗铝表层铝浓度较高(>30%), 这为进一步原位热氧化生长Al2O3膜提供了保证.采用XRD、S-570SEM/EDS和SPM分析了Al2O3膜的相结构和表面形貌,采用IRSE-1红外椭圆偏振仪测定Al2O3膜厚.结果表明渗铝层发生选择性氧化,在表面生成均匀、致密Al2O3膜,在900 ℃、约3 Pa氧气环境中氧化2 h所生长的膜的厚度约为0.6 μm.将氧化后的样品放入1台超高真空吸放氢测试系统中进行渗氢处理,并用前向弹性反冲(ERD)对渗氢样品进行分析测试.结果表明沿着膜层深度方向,氢原子浓度急剧降低,在深度0.2 μm处,原子浓度趋于平衡,原子百分比浓度约保持为0.007%,与不锈钢基体化学组成中的氢原子含量相近,表明从薄膜层0.2 μm起,氢原子难以渗透进去,这说明本研究所制备的Al2O3膜层具有良好的防氢渗透效果.     

聚变堆液态金属锂铅包层多功能涂层研发

液态金属锂铅包层是目前国际上聚变堆包层设计研究的主要方案之一,结构材料表面制备涂层是降低锂铅包层中的氚渗透率、液态锂铅腐蚀及磁流体动力学(MHD)效应的重要技术之一.本文主要从涂层材料及其制备工艺两个方面重点介绍了国内外在液态锂铅包层涂层材料研发方面的进展概况,并对涂层技术发展进行了展望,最后提出了中国发展液态锂铅包层涂层的规划建议.     

液态锂铅合金中测氢传感器的探头材料

氢同位素在液态锂铅合金中的溶解行为是聚变堆液态包层提氚系统设计的重要参考指标。为了解决液态锂铅合金中氢含量测定的技术难题,研发测氢传感器,开展了以Al2O3、SiC、SiO2-Cr2O3、TiC为候选的传感器探头材料的选型研究。研究结果表明:在仅考虑测量平衡时间、合金熔融温度和热冲击的前提条件下,SiC探头材料是最合适的选择,具有测量直观准确、高热稳定性、抗化学腐蚀性能和耐热冲击性能良好的特点;而Al2O3和SiO2-Cr2O3在高温锂铅环境中易腐蚀;TiC高温下易氧化,但在873K以下时的测量值比SiC更接近理论饱和值。     

CLAM钢基体表面Al2O3功能梯度涂层残余应力模拟分析

在ITER中国液态锂铅测试包层模块设计中拟采用Al2O3作为防氚渗透耐蚀绝缘涂层,为了防止涂层与CLAM钢基体间由于材料热膨胀不匹配而开裂失效,采用热应力缓和型功能梯度涂层。利用有限元分析软件ANSYS研究了Al2O3/CLAM钢系功能梯度涂层的残余应力分布。模拟结果表明,当成分分布指数p=0.8、层数N=6、梯度层厚度为H=0.6 mm时,应力缓和效果最优。此分析结果可为该涂层制备工艺的优化提供理论指导。     

液态锂铅合金的氚释放行为

为了完成聚变堆液态锂铅包层鼓泡提氚系统的工程设计和建造,以金属与氢的作用理论为基础,建立了氚从液态锂铅中的动力学释放行为的数学模型.计算和分析了温度、饱和器氚分压、氦流量对解吸器顶部气相中的氚分压的影响以及氚在液态锂铅中的传质系数、解吸率和吸附率.结果表明:在633～723 K的解吸温度范围内,氚从液态锂铅到气相的整个释放过程虽然包含了氚在熔融合金气泡中的扩散与对流、氚通过与气-液界面相连合金层的扩散、在界而发生的氚原子重组多相反应、氚通过气相边界层的扩散和气相中氚的扩散与对流5个子过程,但起决定作用的是氚在合金内的扩散和气.液界面的多相反应重组,其他子过程意义不大.     

用二次离子质谱仪(SIMS)分析聚变裂变混合堆材料表面涂层成分

在聚变裂变混合堆设计方案,拟采用液态Pb-17Li作为冷却剂兼产氚剂。由于含氚液态金属具有强腐蚀性和渗透性,钢制冷却管道内壁应有防渗屏障层。用表面渗铝氧化方法形成微米厚度的Al2O3/FeAl涂层,是有应用前景的防渗屏障层生成工艺。实验测量涂层的微观结构、表面成分及其深度分布,对于改进工艺、探索最佳工艺条件具有重要意义。本工作用的二次离子质谱仪(SIMS)是法国CAMECA公司产品,型号为IMS6F。Al2O3/FeAl涂层深度剖析中用的马氏体钢样品为EUROFER97和CLAM。前者是欧共体实验室产品,后者是北京科技大学产品。主要分析对象是…     

ITER中国液态锂铅实验包层模块氚渗透分析

对ITER中国液态锂铅实验包层模块的氚渗透途径进行了初步分析,并建立了氚渗透模型;在确保环境安全的前提下,通过计算LiPb中的氚分压分析了氚渗透量及氚总量的分配情况;在此基础上通过改变进入氚提取系统中LiPb比例(F)和涂层氚渗透减少因子(TPRF)对氚提取及渗透的影响做了灵敏性分析.     

6 用二次离子质谱仪（SIMS）分析聚变裂变混合堆材料表面涂层成分

在聚变裂变混合堆设计方案，拟采用液态Pb-17Li作为冷却剂兼产氚剂。由于含氚液态金属具有强腐蚀性和渗透性，钢制冷却管道内壁应有防渗屏障层。用表面渗铝氧化方法形成微米厚度的Al2O3／FeAl涂层，是有应用前景的防渗屏障层生成工艺。实验测量涂层的微观结构、表面成分及其深度分布，对于改进工艺、探索最佳工艺条件具有重要意义。     

CLAM钢基体上大气等离子体喷涂制备氧化铝涂层工艺研究

液态金属锂铅包层是目前国际上聚变堆包层设计研究的主流方案之一,但其仍面临高氚渗透率、液态锂铅对包层结构材料的腐蚀以及锂铅流动引起的磁流体动力学MHD效应等问题,而包层结构材料表面加覆涂层是解决上述问题的关键技术之一。本实验尝试利用大气等离子体喷涂(APS)工艺在中国低活化马氏体CLAM钢上制备多功能氧化铝涂层,试验结果表明:涂层与基底具有较好的结合强度,平均值为31.7 MPa;涂层电阻率为5.26×109~1.54×1010Ω.m;并呈现较高的显微硬度和致密度。本工作可为未来聚变堆液态锂铅包层涂层制备提供理论依据和技术储备。     

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。     

基于氢同位素研究商用钯银合金膜的渗氚性能

钯银合金膜可用于熔盐堆尾气中气态氚（HT和T₂）的分离与纯化。本文研究了厚度为80 μm的钯银合金膜在纯H₂气氛中及Ar气存在下对H₂的分离效果。结果表明,渗氢过程中氢原子在膜内部的体相扩散是控制速率的关键。Ar气存在时,在钯银合金膜工作温度为480 ℃、混合气体进气流速为100 mL/min、氢分压差为20～100 kPa的条件下,钯银合金膜对H₂气的渗透通量随氢分压差的增大而增加,随Ar气浓度的升高而减小。在氢分压差相同的条件下,纯氢的渗透通量明显高于Ar-H₂混合气的渗透通量,说明钯银合金膜受Ar气的影响分离效果变差。渗氢后的钯银合金膜表面变得光滑,有晶界形成。     

氢化锆高温抗氢渗透涂层研究

利用气固反应方法在锆、氢化锆表面制备厚为5～20 μm的抗氢渗透涂层.借助光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)对涂层进行形貌观察;由电子衍射能谱 (EDS)进行成分分析;用X射线衍射仪对涂层进行物相分析.分析结果表明涂层表面均匀、致密,厚度为20 μm左右;涂层中含有Zr、C、O、P等元素,且O有明显的扩散;涂层中存在具有致密结构的氧化锆、磷化锆等物相,可能还存在锆的碳化物相.     

Al、(Al,Si)涂层的制备及其在550℃液态铅铋合金中的防腐蚀性能研究

液态铅铋是加速器驱动次临界系统(ADS)的冷却剂兼散裂靶主选材料之一,作为加速器ADS系统中最合适的候选结构材料之一的奥氏体不锈钢316L,如果在高温液态铅铋合金(LBE)中遭受腐蚀会严重影响系统的安全性,因此必须要提高结构钢材的高温防腐蚀性能。本文利用热蒸发法在奥氏体不锈钢316L表面制备了Al及Si掺杂Al的Al-Si,Si-Al和Al(Si)四种涂层。利用X射线衍射,扫描电子显微镜和能谱仪表征和分析了涂层的相结构和显微结构。将四种涂层在550℃液态铅铋防腐1 000 h后,研究了它们的防腐蚀性能。结果表明,在目前的腐蚀条件下,四种涂层均具有良好的防LBE腐蚀性能,其中Al-Si涂层的防腐蚀性最好。     

316L不锈钢基材防氚渗透Al2O3涂层残余热应力分析

在聚变堆防氚渗透第一壁制备过程中,Al2O3涂层与316 L不锈钢基体间由于材料热膨胀系数的差异容易产生裂纹.本文利用有限元方法研究了AL2O3/316 L涂层制备过程中的残余应力的分布.结果表明在界面等区域存在严重的应力集中;涂层厚度、孔隙率大小以及涂层是否致密对残余应力水平有很大影响.涂层内部关键区域的残余应力水平,随着涂层厚度增加而增加;孔隙率不同对界面的残余应力分布趋势没有明显影响,但对应力值却有很大影响,孔隙率增大涂层残余应力最大值下降;相同厚度情况下致密Al2O3涂层所受压应力远大于多孔Al2O3涂层承受的残余应力.     

钼合金基体等离子喷涂Al_2O_3涂层研究

本工作研究了钼合金作为基体等离子喷涂Al2O3的喷涂工艺,并对喷涂样品进行了分析。其中,基体材料钼合金的尺寸为φ26mm×10mm,涂层材料为99%的高纯Al2O3粉末,粒度为10～30μm。试样端面喷砂活化处理之后进行等离子喷涂。试验采用有底层和无底层两种喷涂方式,涂层厚度为0.25mm。分别对涂层的金相组织、孔隙率、硬度和结合强度进行测试。结果表明,有底层涂层样品的结合强度为5MPa左右,无底层的结合强度为17MPa,观察到底层与基体结合处产生裂纹导致强度偏小。Al2O3涂层的孔隙率随着喷涂距离的增大而增大,显微硬度和结合强度相反则随着喷距…     

Inconel 690合金氢扩散与渗透特性的研究

采用超高真空气相氢渗透技术,研究氢在Inconel 690合金的扩散和渗透行为,获得了不同厚度690合金样品在300~500℃温度范围内的氢渗透曲线,讨论了该合金厚度对扩散特性与渗透特性的影响。结果表明:在一定温度范围内,Inconel 690合金的氢扩散系数(D)、渗透系数(P)随温度变化关系遵循Arrhenius方程;在一定厚度范围内,氢扩散系数随样品厚度增加而增高并趋近于690合金的实际体扩散系数;样品厚度对氢渗透系数的变化影响较小。     

PdY合金管束的氢渗透性能

PdY合金膜因其具有良好的透氢性能与机械性能,有望应用于聚变堆氢同位素纯化工艺。基于PdY合金膜的服役参数及氚安全要求,有必要研究在低氢压下PdY合金膜的氢同位素渗透特性,为后续设计氢同位素纯化组件提供数据支撑。本工作基于直管外压式PdY扩散器,研究了低氢压(<50 kPa)、工作温度为350～450℃条件下,厚度为80μm的PdY合金薄膜管的氢渗透速率与膜两侧压力、工作温度的关系。结果表明,低氢压下,PdY合金膜的氢渗透规律符合■,且压力指数n等于0.9,渗透速率控制机制主要表现为表面过程控速;提高工作温度使得合金膜的渗透通量增大,且温度对扩散过程的影响更大,使渗透过程更加趋于表面控速。此外,计算了该工作温度范围下的渗透系数,并通过阿伦尼乌斯公式推导求得渗透活化能约为24.54 kJ/mol,渗透常数Φ₀为5.86×10^-6 mol/(m·s·kPa^0.9)。低氢压下,该厚度膜的渗透系数可由5.86×10^-6e~(-24.54/(RT)) mol/(m·s·kPa^0.9...     

316L不锈钢表面双层辉光离子渗金属技术制备Al2O3涂层

Al2O3涂层由于具有较好的阻氚渗透效果可用作聚变堆第1壁涂层.利用双层辉光离子渗金属技术在316L不锈钢表面进行渗Al后热氧化处理,得到了致密的Al2O3涂层.对渗Al层的成分和形貌分别利用X射线衍射分析仪和扫描电子显微镜进行了分析和观察.结果表明:双层辉光离子渗金属技术能够制备出均匀致密、与基体结合良好的渗Al层.在316L不锈钢表面渗Al的最佳工艺参数条件下,获得的渗Al层经随后的热氧化处理,可形成质量良好的致密Al2O3涂层.     

锆合金表面缺陷引起氢致延迟开裂行为的研究

核反应堆用锆合金构件在服役过程中会发生氢致延迟开裂（HIDC）而失效,构件表面的微缺陷是否会引起HIDC是值得研究的问题。本文采用真空电子束焊接方法制备表面有微缝隙缺陷的样品,以研究这类微缝隙缺陷在400℃过热蒸汽中腐蚀以及在350℃高压水中热循环处理过程中的行为。由于这类缺陷处会形成尖劈状的氧化膜并镶嵌在金属中,在氧化膜前端将形成应力集中和应力梯度区,引起氢的扩散、富集和氢化物析出,即使样品中原先没有残余应力,也没有受到外加应力的作用,也会发生HIDC导致裂纹扩展而开裂。因此,在设计和加工制造核反应堆堆芯中锆合金的各种结构件时,需要重视如何避免锆合金构件表面可能生成这种缺陷的问题。     

GH3535合金表面渗铝层原位氧化工艺研究

高温工况下钍基熔盐堆中存在氚泄漏的风险，建立氚渗透屏障涂层有助于应对这一问题。采用包埋渗铝和原位氧化工艺，在GH3535合金表面制备了Al2O3/Ni-Al复合阻氚涂层，重点分析了氧化温度和真空度对氧化铝薄膜微观结构的影响。利用掠入射X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等手段对氧化铝薄膜表面及截面的微观形貌、相构成进行了实验分析。实验结果表明：低氧分压能降低氧化铝薄膜的形成速度，促进形成更致密、表面平整的薄膜；高的氧化温度有利于形成α相氧化铝及更厚的氧化铝薄膜，但会大大增加表面缺陷。1.2 Pa真空度气氛、850℃氧化温度、72 h氧化时间是较优的原位氧化工艺参数，可以在GH3535合金基体表面获得性能较好的氧化铝薄膜，其相结构为γ和α相，厚度约为0.8μm，且表面致密无缺陷。