多因素耦合作用下α-Al2O3阻氚涂层形成规律及机理研究

摘要

在316L不锈钢表面涂覆一定厚度的陶瓷阻氚涂层是目前开发聚变能的关键科学与技术问题之一。众多陶瓷涂层中，α-Al2O3由于其具有较低的氚渗透率成为当前阻氚涂层研究重点。但稳态α-Al2O3相变所需的高温（大于1000℃）会严重影响基体材料的机械性能。本课题提出了低温下(580℃)采用双辉等离子渗金属技术在316L不锈钢表面制备Fe-Al/α-Al2O3涂层，形成的Fe-Al过渡层可以提高涂层与基体的结合强度。同时，通过引入α-Al2O3晶种及稀土元素Y来降低α-Al2O3涂层的形成温度。
　　利用掠射角X射线衍射仪(GAXRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱仪(XPS)及场发射透射电镜(FETEM)等分别对涂层相组成、组织结构和微观形貌行了表征，研究了α-Al2O3涂层的生长机理，探讨了单因素(离子轰击)、双因素(离子轰击、添加α-Al2O3晶种)及多因素耦合作用下(离子轰击、添加α-Al2O3晶种和稀土元素Y)对α-Al2O3的诱导机理，最后研究不同因素对氧化涂层的结合力、硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响，对比分析了掺杂α-Al2O3晶种及共掺杂α-Al2O3晶种与稀土元素Y制备的氧化涂层的阻氘渗透性能。论文的主要研究成果有：
　　1）通过计算机模拟与实验相结合的方法研究了O2-在Al涂层中的扩散机理，研究表明，实验结果与SRIM软件模拟的O2-离子在Al涂层中的分布情况相吻合，高能O2-离子可以扩散到涂层的内部。进一步通过分子动力学模拟O2-离子在涂层中的扩散机理，结果表明，涂层中形成的空位促进了O2-离子的扩散。利用双辉等离子渗金属技术在纯铁表面制备了Al涂层，通过扩散形成Fe-Al间隙化合物，在580oC下对涂层进行了等离子氧化。研究表明，在实验初始阶段，由于溅射和重溅射及沉积的同时发生，FeAl和Fe3Al很容易在界面处产生；随着双阴极电压的稳定，沉积和扩散占主导地位，这导致了Al与Fe之间形成了相互扩散。尤其是离子轰击下空位的形成，促使了扩散速率更快。最终形成的涂层是由很多纳米晶组成的，通过 FETEM测试发现，涂层中存在大量的缺陷，如空位、位错和晶界。正是由于这些缺陷的存在，为O2-离子的扩散提供了快速通道，在等离子氧化后，氧化涂层中的相主要为α-Al2O3，γ-Al2O3和Fe2O3；此外，由于Fe和Al的本征扩散系数不同产生了柯肯达尔效应，在氧化涂层中形成了大量的孔洞，这些孔洞被一些氧化物所填充。
　　2）为了在316L不锈钢表面获得较厚且均匀致密的α-Al2O3涂层，采用正交实验分析了双辉等离子技术沉积参数——源极电压、工件极电压、工作气压及极间距对涂层厚度的影响规律。结果表明极间距对沉积涂层的厚度影响最大；在最优工艺参数下制备的涂层致密未发现任何裂纹与缺陷，厚度约为11.6μm。氧流量对涂层结构及性能的影响表明，随着氧流量的增加促进了α-Al2O3的形成；FETEM研究发现，沉积的涂层氧化前有α-Al2O3晶种的存在，形成的Fe-Al间隙化合物依附在晶种上，等离子氧化后，在高能离子轰击及α-Al2O3晶种的诱导下，涂层表面为纯的α-Al2O3，而内层主相为α-Al2O3并含有少量γ-Al2O3相。涂层中的α-Al2O3晶种为α-Al2O3的形成提高更多的形核点，而离子轰击为表面的涂层提供更多的能量，促使α-Al2O3形成温度降低了。由于Fe和Al的扩散形成了间隙化合物相，涂层最终结构为 SS/FeAl/(Al2O3+Fe2O3)/Al2O3，这一结构可以避免基体与沉积涂层因为热膨胀系数不匹配而产生裂纹。
　　3）在引入α-Al2O3晶种的基础上，通过添加稀土元素Y研究多因素耦合作用对α-Al2O3涂层的形成规律的影响。通过FETEM研究发现，Y在涂层中是不连续分布的，主要集中在涂层的晶界处；在等离子氧化下，Y被氧化形成了Y2O3；在等离子轰击、α-Al2O3晶种及稀土元素Y多因素耦合作用下，AlYα氧化涂层中存在大量α-Al2O3。
　　4）随着Y元素的加入，涂层的结合力有所提高。AlYα氧化涂层和Alα氧化涂层腐蚀电流比316L不锈钢基体降低了近3个数量级；600℃下，两种氧化涂层均取得了比较好的阻氘效果，在低温300℃下，氘的渗透率比不锈钢降低了4-5个数量级。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1. 2α-Al2O3涂层的制备

1. 3 双辉等离子渗金属技术

1.4 本课题的研究意义、研究内容及技术路线

第二章 实验与方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备与制备方法

2.3涂层的氧化

2.4 工艺参数的选择

2.5涂层的结构表征

2.6涂层的性能测试及表征

2.7 SRIM软件及仿真

2.8 分子动力学模拟

第三章 等离子氧化条件下Fe-Al-O系统扩散机理的研究

3.1 实验及模拟参数

3.2 Al-O系统在等离子轰击下的扩散机理

3.3 Fe-Al-O体系在等离子轰击下的扩散和氧化行为

3.4 本章小结

第四章 等离子轰击与α-Al2O3晶种共同作用对α-Al2O3涂层形成机理的影响

4.1 掺杂α-Al2O3晶种的Al涂层的制备

4.2 Alα涂层的形貌和相分析

4.3 氧化参数的优化

4.4 Al2O3涂层的生长及晶种诱导机理研究

4.5 本章小结

第五章 多因素耦合作用对α-Al2O3涂层形成机理的影响

5.1共掺杂α-Al2O3晶种与稀土元素Y涂层的制备

5.2氧化后涂层的组织和相分析

5.3α-Al2O3晶种和稀土元素Y耦合作用机理

5.4本章小结

第六章 氧化物涂层的力学性能及阻氘性能评价

6.1 实验样品及阻氘性能测试装置

6.2 氧化涂层的性能测试

6.3本章小结

第七章 结论

7.1 研究结论

7.2本论文的主要创新点

7.3 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文