Al2O3/Cr2O3复合阻氚渗透涂层的制备和研究

摘要

在核聚变应用中，氚的渗透是需要解决的关键问题之一。目前行之有效的解决方法是在金属结构材料表面制备陶瓷防氚渗透涂层。低活化铁素体/马氏体钢具有优良的抗辐照肿胀性能，抗蠕变性能，以及较低的热膨胀系数，是核聚变包层结构候选材料之一。在此基础上本课题提出在超洁净低活化马氏体（SCRAM）钢上制备Al2O3/Cr2O3复合阻氚渗透涂层，通过Cr2O3中间过渡层，一方面缓解了基体与Al2O3层之间热膨胀系数差异，增加了涂层的稳定性；另一方面Cr2O3充当形核模板，在较低温度下形成了阻氚效果较好的α-Al2O3涂层。 首先，本文通过包埋渗与溶胶凝胶结合的方法在SCRAM基体钢上成功制备了多层的Al2O3/Cr2O3复合阻氚渗透涂层并对涂层的结构及性能进行了表征。之后通过铝铬包埋共渗在基体上成功制备了α-Al2O3/Cr2O3复合涂层，并探究了渗剂中Cr:Al比例及Cr,Al总质量分数对涂层的影响。最后通过一系列氧化铝溶胶与氧化铬溶胶混合物以及氧化铬粉末和氧化铝溶胶混合物的煅烧过程分析，初步探索了Cr2O3的添加对α-Al2O3相形成的作用以及作用机制。在涂层的制备中为了避免对SCRAM基体钢的使用性能造成影响，复合涂层的制备与钢的热处理同时进行。最终主要得出以下结论： （1）包埋渗及溶胶凝胶结合法制备的Al2O3/Cr2O3复合涂层连续致密均匀，与基体结合良好。复合涂层是厚度约为10.5μm的三层结构，包括外部Al2O3层，中间Al2O3+Cr2O3混合层以及内部Cr、Fe过渡层，厚度依次为2μm，6μm和2.5μm。由于Cr2O3的模板作用，在低于α-Al2O3相形成温度下在涂层中检测到了α-Al2O3相的存在，其含量约为30.1%。 （2）Al2O3/Cr2O3复合涂层综合性能优异。其结合力为45.9MPa，600℃下热震次数达到273次，且经过150次热震之后涂层无任何裂纹及剥落出现，仍然较为致密。复合涂层阻氢渗透性能优异，其氢渗透测试稳态电流密度约为0.27μA/cm2，比基体低63倍。 （3）铝铬包埋共渗时，渗剂中Al，Cr比例及总质量分数对涂层质量有显著影响。当铝铬粉末总质量分数为30%且Al∶Cr为1∶4时，在基体上成功制备了均匀致密、与基体结合良好的α-Al2O3/Cr2O3复合涂层。涂层总厚度约为103μm，包括厚度约为32μm的α-Al2O3，Cr2O3氧化外层及厚度约为71μm的Al、Cr、Fe过渡内层。 （4）Cr2O3在α-Al2O3的形成中发挥了良好的模板作用，并显著降低了其形成温度。在溶胶凝胶及包埋渗结合制备的Al2O3/Cr2O3复合涂层中，由于Cr2O3的模板作用，在960℃保温0.5h的热处理条件下形成了α-Al2O3相，其含量约为30.1%；在包埋共渗实验中，在960℃保温0.5h热处理下形成了完全的α-Al2O3/Cr2O3复合涂层。根据混合溶胶以及混合溶胶粉末实验分析得出α-Al2O3是以Cr2O3为模板进行形核的，且α-Al2O3形核时继承了Cr2O3的晶面取向，但由于两者晶面间距的差异，晶格内存在畸变，导致初始形成的α-Al2O3晶格常数偏大，之后随着α-Al2O3的生长，其氧原子继续堆积，氧原子将进行弛豫重排以降低能量，最终形成α-Al2O3相。该实验中由于Cr2O3的模板作用，α-Al2O3的形成温度从1200℃降低到960℃。

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摘 要

Abstract

1. 绪论

1.1. 研究背景

1.1.1. 核聚变应用背景

1.1.2. 可控核聚变研究进展

1.1.3. 核聚变堆反应

1.1.4. 阻氚渗透涂层的提出

1.2. 阻氚渗透涂层

1.2.1. 氚渗透机理

1.2.2. 阻氚渗透涂层种类

1.2.3. Cr2O3/ Al2O3复合阻氚渗透涂层

1.3. 阻氚渗透涂层制备方法

1.3.1. 包埋渗法制备Cr2O3涂层

1.3.2. 溶胶凝胶法制备Al2O3涂层

1.4. 本课题的研究意义、内容和目标

1.4.1. 研究意义与目的

1.4.2. 研究内容

2. 涂层制备工艺及表征方法

2.1. 试验材料及设备

2.1.1. 基体SCRAM钢

2.1.2. 药品及设备

2.2. Cr2O3涂层的制备

2.2.1. 基体预处理

2.2.2. 包埋渗铬

2.3. Cr2O3/Al2O3复合涂层的制备

2.3.1. 异丙醇铝制备氧化铝溶胶

2.3.2. 降液法制备氧化铝涂层

2.3.3. 氧化铝涂层的干燥与热处理

2.4. 涂层成分及微观结构表征

2.4.1. 环境扫描电镜分析

2.4.2. X射线物相衍射分析

2.5. 涂层性能表征

2.5.1. 电化学氢渗透性能

2.5.2. 涂层结合力测试

2.5.3. 涂层抗热冲击性能

3. 涂层结构分析及性能表征

3.1. 涂层显微观察及元素分析

3.1.1. 渗铬涂层显微结构

3.1.2. 氧化铬涂层显微结构

3.1.3. 氧化铬/氧化铝层显微结构

3.1.4. 氧化铬作用讨论

3.2. 涂层性能表征

3.2.1. 涂层阻氢渗透性能

3.2.2. 涂层结合力

3.2.3. 涂层热震性能

3.3. 本章小结

4. 包埋共渗制备α-Al2O3/Cr2O3复合涂层

4.1. 前言

4.2. 铝铬两步包埋渗

4.2.1. 实验介绍

4.2.2. 结果分析

4.3. 铝铬包埋共渗

4.3.1. 实验介绍

4.3.2. 渗剂中Al:Cr对涂层影响

4.3.3. 渗剂中Al，Cr总量对涂层影响

4.3.4. α-Al2O3/Cr2O3复合涂层的形成过程

4.4. 本章小结

5. Cr2O3对α-Al2O3相转变作用

5.1. 前言

5.1.1. 低温合成α-Al2O3相的研究

5.1.2. Cr2O3在α-Al2O3形成中的作用

5.2. 铝铬溶胶实验

5.2.1. 溶胶制备

5.2.2. 溶胶试验设计

5.3. 实验结果分析

5.3.1. 混合体系DSC及XRD分析

5.3.2. Cr2O3模板效应

5.4. 本章小结

6. 全文总结

6.1. 研究展望

6.2. 主要结论

致 谢

参考文献

附录1 攻读硕士期间发表的论文