铝化物阻氘涂层中的基底效应研究
发布时间：2021-12-22 16:22
为了确保聚变堆中的氚自持和环境安全性,氚增殖包层及其辅助涉氚系统的结构材料必须具有尽可能低的氚渗透率。除了可靠的氚包容和涉氚系统结构设计外,阻氚涂层是减少氚通过结构材料向其它系统及环境渗透的有效措施之一。因具有渗透率降低因子（PRF）高、热失配小、冶金结合、相容性好及自修复性能等优点,FeAl/Al2O3型铝化物涂层成为多国氚增殖包层的首选阻氚涂层。然而,与涂层的体相性质相比,在实际应用中铝化物阻氚涂层的性能常常低于预期。可能的原因是铝化物涂层中存在合金化效应,包括基底效应和掺杂效应。然而,目前铝化物阻氚涂层研究主要集中在涂层的制备工艺研发及性能优化阶段,且涂层的制备仅在有限几种钢基底上展开,还未系统深入地研究钢基底本身的材料特征包括所含合金元素、微观组织结构等对涂层的影响及相关机理。鉴于此,本论文首先从实验上系统地研究了不同Cr钢基底表面铝化物阻氚涂层的形成过程及阻氘渗透性能,证实了铝化物阻氚涂层中存在基底效应,并探讨了基底效应的来源及影响因素。其次,从理论上研究了钢基底材料中最主要的合金元素Cr对铝化物阻氚涂层主要功能部分即A1203中的缺陷化学及H在材料中的存在形式和输运行为的影...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：111 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１典型铅化物阻氣涂层的结构模型??铅化物ＴＰＢ涂层的制备通常包含铅化和氧化两个步骤ＰＳ’ｗｉ：前者是通过侣源中的Ａ１??
这一点ｔｓｕ。因此，在铅化物阻氣涂层中，Ａｋ〇３中（包括表面和体相）氨的输运主导了??氨的渗透过程。第一性原理研究ｆ４２’８２＇表明，在热力学上，ａ－Ａｌ２〇３阻氨渗透的主要原因??可归于平衡状态下ａ－Ａｌ２〇３中极低的巧＋浓度；而在动力学上（见图１．２），在铅化物阻??氣涂层通常工作温度范围内（５００－７００?°Ｃ），当渗透压力高于１７ｋＰａ时，氨原子围绕??ａ－Ａｌ２〇３化１〇２）面第３原子层的氧原子的旋转阻滞了氨渗透过程；当压力低于１?ｋＰａ??时，氨分子在（Ｘ－ＡＩ２Ｏ３?Ｕ－１０２）面第２及第４原子层的铅原子间位置的极性解离阻滞了??氨渗透过程。然而，Ａｂ〇３表面和体相中原子的输运性质均强烈受制于其缺陷化学包括??杂质化学ｔｗ’Ｗ。杂质，即使其浓度仅在ｐｐｍ量级，也将主导ａ－Ａｌ２〇３的杂质化学ｔＭ’ｓＷ。??因此，有理由相信氯同位素在ＡＩ２Ｏ３中的渗透行为将因杂质的存在发生很大改变。对于??Ａｌ２〇３材料，由于其表面氨的具体吸附状态、表面及体相的缺陷化学及杂质对缺陷化学??的影响等还未进行系统深入地研究，即使结合上述可能的作用机理，仍不能很好的揭示??其阻氨渗透机理。??！?－Ｂ－Ｏ．ＺｋＰａ?．?：??｝：：：?：??Ｙ?／／?Ｘｄｉｆｆｕｓｔｏｎ?Ｉ??１Ｅ－１２．?＾?／?１??３００?４００?５００?朗０?７００?８００?９００?１０００??Ｔ．Ｋ??图１．２?ａ－Ｍ〇３中氨原子的扩散速率ｒＨ与温度和压力的关系（为氨分子的解离速率）Ｐ２１??１３错化物脏氣涂层的制备技术??随着现代科技的进步
效控制涂层的成分和微观结构。Ｕｅｋｉ等用ＳＧ技术在ＳＵＳ３０４不诱钢表面制备了约１００??＾ｍｌ厚的Ａｌ２０３涂层，该涂层具有凹凸型表面，且与基底为物理结合，故结合力相对较弱，??如图１．３所示。Ｗａｎｇ等［＂］采用ＳＧ技术在ＦｂＣｒ－Ａｌ合金表面制备了厚度均匀、无裂纹的??Ａｂ＆涂层。该涂层可能对防氣渗透有效，但还未经实验证实。有意思的是，ＳＧ技术制??得的Ａｌ２〇３涂层的晶体结构随制备温度而变ＵＳＩ。在５００?°Ｃ时涂层是无定形结构，而在??６５０?°Ｃ时为Ｙ－ＡＩ２Ｏ３，当温度升高到１１００?°Ｃ时，又转化为ａ－ＡｂＯｓ＾。可见，在阻氣涂层??制各方面，ＳＧ技术有很好的应用前景，但还需考虑所制涂层的阻氣性能。??ｍＯｍ??图１．３?ＳＧ方法制备Ｍ０３涂层的典型截面形貌ｉｗ＇??１．３．８其它制备技术??金属有机沉积（Ｍｅｔａｌ?ｃｎ＾ｇａｎｉｃ?ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，?ＭＯＤ）技术是在传统ＳＧ技术上改进??而来的，它是将金属有机化合物溶解于有机溶剂中，然后用匀胶机、浸溃提拉、喷涂等??方法把溶液涂在衬底上，经过加热使有机物挥发成无机膜，最后高温结晶。与ＳＧ技术相??比
【参考文献】：
期刊论文
[1]世界能源现状和未来[J]. 樊东黎. 金属热处理. 2011(10)
[2]Influence of process parameters on thickness and wear resistance of rare earth modified chromium coatings on P110 steel synthesized by pack cementation[J]. 林乃明,谢发勤,吴向清,田伟. Journal of Rare Earths. 2011(04)
[3]不锈钢异型件表面阻氚层制备技术的研究进展[J]. 张桂凯,李炬,陈长安,窦三平. 机械工程材料. 2010(04)
[4]渗铝-真空预氧化制备FeAl/Al2O3防氚渗透涂层性能[J]. 占勤,杨洪广,赵崴巍,袁晓明. 材料热处理学报. 2008(02)
[5]Effect of Rare Earth on Void Band of Diffusion Layer and Properties of Aluminized Steel[J]. ZHANG Wei~ 1,2,3 , FAN Zhi-kang~1, HU Peng-fei~2, LONG Yong-qiang~3, LIU Hua~2, WEN Jiu-ba~3 (1. School of Materials Science and Engineering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, Shaanxi, China; 2. Department of Materials Engineering, Luoyang College of Technology, Luoyang 471003, Henan, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan, China). Journal of Iron and Steel Research（International）. 2006(05)
[6]带热浸铝涂层MANETⅡ马氏体钢的氢渗透性能研究[J]. 姚振宇,M.Chini,A.Aiello,G.Benamati. 核科学与工程. 2002(01)
[7]HOT DIPPING ALUMINIZED COATING AS HYDROGEN PERMEATION BARRIER[J]. Z. Y Yao, M. Chini, A. Aiello and G. Benamati (China Institute of Atomic Energy, P.O.Box 275-51, Beijing 1024l3, China) ( Department of Physics, University of Trento, 38100 Trento, Italy) ( ENEA CR Brasimone, 40032 Camugnano, Bologna, Italy). Acta Metallurgica Sinica（English Edition）. 2001(06)
[8]反射干涉光谱法测量固体薄膜的光学常数和厚度[J]. 杨鹏,徐志凌,徐雷. 光谱学与光谱分析. 2000(03)
[9]Oxidation Resistance of the Aluminide Coating Formed on Carbon Steels[J]. H.M.Soliman; K.E.Mohamed; M.E.Abd El-Azim and F.H.Hammad(Metallurgy Dept., Atomic Energy Authority, Cairo, Egypt). Journal of Materials Science & Technology. 1997(05)
[10]316L不锈钢表面Al2O3镀层中氚的扩散渗透行为[J]. 郝嘉琨,山常起,金柱京,陈庆旺. 核聚变与等离子体物理. 1996(02)
博士论文
[1]α-Al2O3阻氚涂层材料中氢行为的理论研究[D]. 张桂凯.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]双辉等离子渗技术制备Cr-Si、Al-Cr、Al-Cr-Si氧化物涂层及性能研究[D]. 尹磊.南京航空航天大学 2011
[2]室温熔盐镀铝—氧化法制备铝化物阻氘层技术研究[D]. 张桂凯.中国工程物理研究院 2010
[3]渗铝涂层不锈钢氘渗透特性实验研究[D]. 刘歆粤.哈尔滨工程大学 2006
本文编号：3546703
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：111 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１典型铅化物阻氣涂层的结构模型??铅化物ＴＰＢ涂层的制备通常包含铅化和氧化两个步骤ＰＳ’ｗｉ：前者是通过侣源中的Ａ１??
这一点ｔｓｕ。因此，在铅化物阻氣涂层中，Ａｋ〇３中（包括表面和体相）氨的输运主导了??氨的渗透过程。第一性原理研究ｆ４２’８２＇表明，在热力学上，ａ－Ａｌ２〇３阻氨渗透的主要原因??可归于平衡状态下ａ－Ａｌ２〇３中极低的巧＋浓度；而在动力学上（见图１．２），在铅化物阻??氣涂层通常工作温度范围内（５００－７００?°Ｃ），当渗透压力高于１７ｋＰａ时，氨原子围绕??ａ－Ａｌ２〇３化１〇２）面第３原子层的氧原子的旋转阻滞了氨渗透过程；当压力低于１?ｋＰａ??时，氨分子在（Ｘ－ＡＩ２Ｏ３?Ｕ－１０２）面第２及第４原子层的铅原子间位置的极性解离阻滞了??氨渗透过程。然而，Ａｂ〇３表面和体相中原子的输运性质均强烈受制于其缺陷化学包括??杂质化学ｔｗ’Ｗ。杂质，即使其浓度仅在ｐｐｍ量级，也将主导ａ－Ａｌ２〇３的杂质化学ｔＭ’ｓＷ。??因此，有理由相信氯同位素在ＡＩ２Ｏ３中的渗透行为将因杂质的存在发生很大改变。对于??Ａｌ２〇３材料，由于其表面氨的具体吸附状态、表面及体相的缺陷化学及杂质对缺陷化学??的影响等还未进行系统深入地研究，即使结合上述可能的作用机理，仍不能很好的揭示??其阻氨渗透机理。??！?－Ｂ－Ｏ．ＺｋＰａ?．?：??｝：：：?：??Ｙ?／／?Ｘｄｉｆｆｕｓｔｏｎ?Ｉ??１Ｅ－１２．?＾?／?１??３００?４００?５００?朗０?７００?８００?９００?１０００??Ｔ．Ｋ??图１．２?ａ－Ｍ〇３中氨原子的扩散速率ｒＨ与温度和压力的关系（为氨分子的解离速率）Ｐ２１??１３错化物脏氣涂层的制备技术??随着现代科技的进步
效控制涂层的成分和微观结构。Ｕｅｋｉ等用ＳＧ技术在ＳＵＳ３０４不诱钢表面制备了约１００??＾ｍｌ厚的Ａｌ２０３涂层，该涂层具有凹凸型表面，且与基底为物理结合，故结合力相对较弱，??如图１．３所示。Ｗａｎｇ等［＂］采用ＳＧ技术在ＦｂＣｒ－Ａｌ合金表面制备了厚度均匀、无裂纹的??Ａｂ＆涂层。该涂层可能对防氣渗透有效，但还未经实验证实。有意思的是，ＳＧ技术制??得的Ａｌ２〇３涂层的晶体结构随制备温度而变ＵＳＩ。在５００?°Ｃ时涂层是无定形结构，而在??６５０?°Ｃ时为Ｙ－ＡＩ２Ｏ３，当温度升高到１１００?°Ｃ时，又转化为ａ－ＡｂＯｓ＾。可见，在阻氣涂层??制各方面，ＳＧ技术有很好的应用前景，但还需考虑所制涂层的阻氣性能。??ｍＯｍ??图１．３?ＳＧ方法制备Ｍ０３涂层的典型截面形貌ｉｗ＇??１．３．８其它制备技术??金属有机沉积（Ｍｅｔａｌ?ｃｎ＾ｇａｎｉｃ?ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，?ＭＯＤ）技术是在传统ＳＧ技术上改进??而来的，它是将金属有机化合物溶解于有机溶剂中，然后用匀胶机、浸溃提拉、喷涂等??方法把溶液涂在衬底上，经过加热使有机物挥发成无机膜，最后高温结晶。与ＳＧ技术相??比
【参考文献】：
期刊论文
[1]世界能源现状和未来[J]. 樊东黎. 金属热处理. 2011(10)
[2]Influence of process parameters on thickness and wear resistance of rare earth modified chromium coatings on P110 steel synthesized by pack cementation[J]. 林乃明,谢发勤,吴向清,田伟. Journal of Rare Earths. 2011(04)
[3]不锈钢异型件表面阻氚层制备技术的研究进展[J]. 张桂凯,李炬,陈长安,窦三平. 机械工程材料. 2010(04)
[4]渗铝-真空预氧化制备FeAl/Al2O3防氚渗透涂层性能[J]. 占勤,杨洪广,赵崴巍,袁晓明. 材料热处理学报. 2008(02)
[5]Effect of Rare Earth on Void Band of Diffusion Layer and Properties of Aluminized Steel[J]. ZHANG Wei~ 1,2,3 , FAN Zhi-kang~1, HU Peng-fei~2, LONG Yong-qiang~3, LIU Hua~2, WEN Jiu-ba~3 (1. School of Materials Science and Engineering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, Shaanxi, China; 2. Department of Materials Engineering, Luoyang College of Technology, Luoyang 471003, Henan, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan, China). Journal of Iron and Steel Research（International）. 2006(05)
[6]带热浸铝涂层MANETⅡ马氏体钢的氢渗透性能研究[J]. 姚振宇,M.Chini,A.Aiello,G.Benamati. 核科学与工程. 2002(01)
[7]HOT DIPPING ALUMINIZED COATING AS HYDROGEN PERMEATION BARRIER[J]. Z. Y Yao, M. Chini, A. Aiello and G. Benamati (China Institute of Atomic Energy, P.O.Box 275-51, Beijing 1024l3, China) ( Department of Physics, University of Trento, 38100 Trento, Italy) ( ENEA CR Brasimone, 40032 Camugnano, Bologna, Italy). Acta Metallurgica Sinica（English Edition）. 2001(06)
[8]反射干涉光谱法测量固体薄膜的光学常数和厚度[J]. 杨鹏,徐志凌,徐雷. 光谱学与光谱分析. 2000(03)
[9]Oxidation Resistance of the Aluminide Coating Formed on Carbon Steels[J]. H.M.Soliman; K.E.Mohamed; M.E.Abd El-Azim and F.H.Hammad(Metallurgy Dept., Atomic Energy Authority, Cairo, Egypt). Journal of Materials Science & Technology. 1997(05)
[10]316L不锈钢表面Al2O3镀层中氚的扩散渗透行为[J]. 郝嘉琨,山常起,金柱京,陈庆旺. 核聚变与等离子体物理. 1996(02)
博士论文
[1]α-Al2O3阻氚涂层材料中氢行为的理论研究[D]. 张桂凯.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]双辉等离子渗技术制备Cr-Si、Al-Cr、Al-Cr-Si氧化物涂层及性能研究[D]. 尹磊.南京航空航天大学 2011
[2]室温熔盐镀铝—氧化法制备铝化物阻氘层技术研究[D]. 张桂凯.中国工程物理研究院 2010
[3]渗铝涂层不锈钢氘渗透特性实验研究[D]. 刘歆粤.哈尔滨工程大学 2006
本文编号：3546703
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