Fe-Al/Al2O3涂层表面氧化膜的掠入射X射线衍射研究

本文采用掠入射X射线衍射（GXRD）α-2θ扫描模式,进行了掠入射角α为0.1°～5°范围内Fe-Al/Al₂O₃阻氚涂层表面氧化膜的X射线衍射实验。结果表明,随α的增加,表面氧化膜中Al₂O₃相与Fe₃Al相对应的衍射峰强度绝对值增强;α的增加加深了分析区域的深度,引起Al₂O₃相的相对含量下降,导致Al₂O₃相对衍射峰强度降低。对Fe-Al/ Al₂O₃涂层表面氧化膜的掠入射X射线衍射而言,较佳的掠入射角是0.25°,此时对应Al₂O₃相的衍射峰相对强度最高。经比对PDF卡片,表面氧化膜相结构为暂态γ-Al₂O₃（200）。在此基础上建立了GXRD分析Fe-Al/ Al₂O₃涂层表面亚微米氧化膜的相结构组成的快速无损检测方法。     

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。     

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。     

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。     

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.     

316L不锈钢表面双层辉光离子渗金属技术制备Cr2O3涂层

为改善不锈钢的阻氚渗透性能,采用双层辉光离子渗金属技术在316L不锈钢表面渗铬渗氧制备出了氧化铬涂层,对涂层的组织特征、相组成和合金元素成分分布及渗入机理进行了分析.结果表明,渗铬后表面主要形成Cr的沉积层和Cr在α-Fe中的固溶体相,渗层厚度可达21 μm,铬含量最高可达92%,且由表及里呈梯度分布;随后对渗铬层进行渗氧处理,表面形成以Cr2O3为主的陶瓷层,其有效厚度约为45 μm,渗层与基体结合牢固.     

V-5Cr-5Ti在AlCl3-EMIC离子液体中的阳极活化及表面铝沉积

钒合金表面获得性能优良的Al涂层是在其表面制备V-Al/Al₂O₃阻氚涂层的重要基础。针对聚变堆候选结构材料V-5Cr-5Ti,本文采用电化学方法研究了其在AlCl₃-EMIC（摩尔比为2∶1）离子液体中的阳极行为,比较分析了恒电位极化模式下不同电位、极化时间对表面阳极活化的影响。在此基础上,采用恒电流沉积（16 mA/cm²）模式研究了阳极活化电位、沉积时间和温度对镀层的影响。结果表明：阳极氧化电流在1.25 V（参比Al的电位）电位时出现峰值,在该电位下极化15 min,V-5Cr-5Ti基体可获得腐蚀均匀的可再生表面。16 mA/cm²下铝沉积,活化表面为（111）和（200）方向择优生长的纯铝涂层,与基体结合良好,室温下沉积75 min,可获得20 μm厚性能良好的铝涂层。     

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。     

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.     

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/Al2 O3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 M...     

D+注入Li4SiO4的表面化学状态及其热解吸行为

锂陶瓷氚增殖剂的氢同位素行为是聚变堆固态产氚包层关心的重要课题。本文将3 keV D⁺注入Li₄SiO₄,采用X射线光电子能谱在线分析注氘前后材料表面的化学状态,同时采用热解吸谱（TDS）实验技术,研究注氘后Li₄SiO₄中氢同位素的热解吸行为。实验结果表明：D⁺注入会改变Li₄SiO₄表面的化学环境,产生多种辐照缺陷和化学键合状态;氘滞留量和热解行为受注氘时样品的温度影响较大,可在一定程度上预测产氚包层中氚的滞留行为。     

双层辉光离子渗金属技术制备Al-Cr-Si氧化物阻氚涂层

本文采用双层辉光离子渗金属技术在316L不锈钢表面进行Al-Cr-Si共渗后氧化处理,制备致密的氧化物阻氚渗透涂层。用SEM、TEM和XRD分析制备涂层的组织结构,用划痕法和抗热震实验对其进行性能测试。结果表明,Cr、Si元素的掺入使涂层生成连续致密的Al2O3氧化膜;在外层富铝区,Al2O3和少量Fe、Cr的氧化物反应生成了尖晶石型复合氧化物Fe(AlCr)2O4。氧流量为0.01L/min时制得的氧化涂层的组织和性能最佳,其结合力达68N,热震实验后表面无裂纹出现。     

含氚气体中氚分压BIX在线测量方法研究

建立了一种聚变堆氘氚燃料循环系统燃料气及工艺气等含氚混合气体中氚分压在线快速测量方法,该方法通过测量氚衰变产生的β射线与材料相互作用发射的轫致X射线（BIX）,利用轫致X射线的计数率与含氚气体氚分压的标定关系曲线,实现含氚气体中氚分压（活度浓度）的实时测量。该方法中的轫致X射线是通过β射线与表面喷金的铍窗材料作用而产生的,X射线的测量采用NaI(Tl)探测器。研究过程中建立了轫致X射线计数率与氚分压的标定关系曲线,对于纯氚气体,氚压测量范围为1 Pa~10 kPa（氚活度浓度为10¹²~10¹⁵ Bq/m³）时,计数率（C）与氚压（p）的标定曲线为C=5.01×10⁴（1-e^-4.55×10-5p）,其指数拟合相关系数为1.000 00。对于氚体积分数为1%的氚-氦混合气体,氚分压测量范围为1~100 Pa（氚活度浓度为10¹¹~10¹⁴ Bq/m³）时,计数率与氚分压的标定曲线为C=5.24×10²(1-e^-4.69×10-3p),其指数拟合相关系数为0.998 60。对于氚体积分数为1%的氚 氢混合气体,氚分压测量范围为1~100 Pa（10¹¹~10¹⁴ Bq/m³）时,计数率与氚分压的标定曲线为C=5.18×10²(1-e^-4.61×10-3p),其指数拟合相关系数为0.999 53。利用以上标定曲线,对任意氚分压的含氚混合气体进行验证测量,结果表明,该方法测量精度较高、响应速度快、测量稳定性好,在氚测量技术中是一种很有前景的方法。     

影响CaCl2-NaCl熔盐电脱氧法制备金属Zr的工艺条件

将氧化物转化为金属是熔盐电解精炼干法后处理氧化物乏燃料流程的关键步骤之一。在等摩尔CaCl₂-NaCl混合熔盐体系中,以石墨棒为阳极,采用高温烧结后的ZrO₂模拟UO₂开展了电脱氧制备金属Zr的FFC剑桥工艺条件优化。研究了工艺条件（槽电压、电解时间、烧结温度和电解温度等）对电脱氧制备Zr的影响。采用场发射扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分别分析了电解前后ZrO₂阴极的微观结构和物相组成。优化后的工艺条件为：电压3.4 V、电解时间12 h、烧结温度900 ℃和电解温度722 ℃。同时,研究结果表明, ZrO₂电脱氧还原为Zr时,存在中间产物CaZrO₃和ZrO。     

γ射线辐照对掺Ce钛酸铋铁电薄膜性能的损伤

采用溶胶-凝胶法在复合基底Pt/Ti/SiO₂/Si上制备系列Bi_3.25Ce_0.75Ti₃O₁₂(BCTO)铁电薄膜,并对薄膜进行了不同剂量的γ射线辐照。通过热重-示差扫描量热分析仪(TG-DSC)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)和铁电测试仪等对辐照前后的薄膜的结构、微观形貌、铁电性、漏电性以及抗疲劳性等进行了对比研究。结果表明：随着对γ射线吸收剂量的增加,薄膜的晶体结构没有改变;薄膜的铁电性能显著减弱,剩余极化2Pr从辐照前的51.5μC/cm²下降到23.7μC/cm²;薄膜的漏电流密度增大,从辐照前的0.9×10^-7 A/cm²增大到7.2×10^-7 A/cm²;在经历10¹²次开关极化循环后,部分薄膜出现疲劳现象。     

基于Abaqus的SiC阻氚涂层表面裂纹性能的研究

在聚变反应堆中阻氚涂层服役期间,涂层表面的裂纹性能以及基底粗糙度是制约涂层服役周期的关键因素。基于Abaqus有限元模拟软件,构建了SiC/316L不锈钢阻氚涂层系统模型。通过对基底表面粗糙度的引入,重点分析了基底粗糙度和涂层表面裂纹之间的关系。结果表明：基底粗糙度对涂层表面裂纹的应变能释放率有显著的影响。当裂纹位于波峰时,应变能释放率最大;当裂纹位于波谷正上方时,应变能释放率最小。相比于光滑交界面,沿着粗糙界面的应力受到了一定程度的抑制效果,呈现降低的趋势。     

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…     

铁元素对铝热剂SHS核废物固化体性能的影响

研究了铁元素对用自蔓延高温合成（SHS）技术固化处理的核废物固化体的组成结构及化学稳定性的影响。借助XRD、SEM和TG-DSC等测试手段对固化体的矿相组合、微观结构和热稳定性进行了测试分析,采用PCT浸泡法对固化体的抗浸出性能进行了研究。结果表明：不同配比的固化体矿相结构基本相同,矿相的主要组成为Al₂O₃,Fe元素对固化体的矿相结构无明显影响。固化体的微观结构非常致密,结晶良好,但固化产物的气孔数量及孔径随Fe元素含量的增大而增大。在小于1400 ℃时,固化体无明显失重,具有良好的热稳定性。固化体中示踪核素Ce的28 d浸出速率为10^-5～10^-6 g/(m²•d),固化体中Fe的含量在1%~10%范围内波动时,其对Ce、Ca、Si、Al、Fe的浸出速率无明显影响。     

贮氚非晶态锆钒合金膜中的氦释放行为

用热解吸和静态贮存方法对贮氚非晶态ZrV₂合金膜中³He的释放行为进行了系统分析。结果显示：³He原子存在597.3、725.8和1 146.6 K等3个解吸峰,其中第3解吸峰的解吸量最大,是由非晶态基体中的³He释放形成;在长达2 423 d的静态贮存期间,非晶膜中³He原子的释放系数始终在10^-5量级范围内波动并呈线性上升趋势,但仍未加速释放;贮存温度变化会引起释放系数剧烈波动;与贮氚晶态ZrV₂合金膜相比,非晶膜的固氦能力显著增强。上述结果初步证实了非晶合金具有良好的固氦性能,这有助于人们从全新视角认识材料中的氦行为。     

温度对放射性含氟浓缩液磷酸盐水合陶瓷固化体的性能影响

以KH₂PO₄、重烧MgO、硼砂、硅灰等为原料,20～1 000 ℃下制备磷酸盐水合陶瓷并固化模拟放射性含氟浓缩液,研究固化体的物相组成、微观形貌、力学性能、孔隙率和元素浸出等。结果表明：随着温度升高,固化体内部最初的结构发生坍塌,抗压强度降低、孔隙率增大;温度达到800 ℃后,磷酸盐水合陶瓷固化体生成新矿相Mg₇F₂(SiO₄)₃、Mg₂SiO₄、Mg₃B₂O₆等,组成了光滑致密的网络框架,抗压强度回升,孔隙率降低;生成的陶瓷矿相有助于增加元素滞留能力,对Cs主要是物理阻碍作用,对F主要是化学作用。