合金元素对V合金表面铝化物涂层形成影响的第一性原理研究
发布时间：2020-12-05 21:22
在聚变堆结构材料表面制备阻氚涂层是降低氚渗透造成的材料损伤以及放射性危害,维持氘氚燃料自持循环的有效途径之一。钒合金具有优良的高温力学性能和低活化特性,是聚变堆中候选的结构材料,但氢同位素在其中的渗透率远高于其他候选结构材料（RAFM钢、SiCf/SiC复合材料）,并易形成氢化物。采用“基体渗铝+氧化”制备的以富Al合金为过渡层、Al2O3膜为外层的铝化物阻氚涂层体系具有化学性能稳定、自修复能力强、与结构材料结合良好等优点,是中国、欧盟和印度公认的较优阻氚涂层之一。然而,目前关于钒合金表面铝化物阻氚涂层的研究较少,且涂层性能与钢基体表面铝化物涂层的性能差距不小,这与V-Al合金层的形成及其表面较难形成性能优异的Al2O3膜有关。为此,本文采用第一性原理方法与热力学原理的结合,研究渗铝过程中合金元素对富Al合金层成分和微观结构的影响机制,以及钒合金表面富Al合金层的选择性氧化行为及合金元素的影响机制,揭示合金元素在钒合金表面铝化物涂层形成过程中的作用机制。主要研究成果如下:1.揭示了 V合金表面富Al合金层形成过程中合金元素的作用机制,发现Ti降低Al在V中的扩散速度,而Cr无明显影响。...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：105 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２不同金属和陶瓷材料的氚渗透率对比［２４〃５１??
热浸铝（ＨＤＡ）??ＨＤＡ是一种尚效的钢铁材料表面防腐蚀技术，能有效提尚钢铁材料的抗局??温氧化和耐腐蚀性能。目前，工业上将ＨＤＡ技术用于钢铁材料制品的表面防护，??己较为成熟。德国卡尔斯鲁厄研究中心（Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｚｅｎｔｒｕｍ?Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ，?ＦＺＫ）首先??将这一技术用于阻氚涂层的研究，开发了相应的ＨＤＡ工艺具体操作为，在??Ａｒ气氛保护下，将不锈钢基体浸入７００°Ｃ铝熔融液体３０ｓ，然后在９５０？１０７５?°Ｃ??进行热氧化处理。通过ＨＤＡ技术制备的阻氚涂层截面如图１．４所示［５１］。３００－４５０?°Ｃ??测试温度下，小样品表面涂层的ＰＲＦ可达１５００？３１００，但工件表面涂层的ＰＲＦ??则远低于此，仅为约１４０。??二??Ｆ８２Ｈ－ｍ〇ｄ．?－?；．．???，丨…＿??（ａ）７００°Ｃ热浸铝?３０ｓ；?（ｂ）ｌ〇４〇°Ｃ／０．５ｈ＋７５０°Ｃ／２ｈ?热处理??图１．４?ＨＤＡ技术制备涂层的截面形貌［５５］??Ｓｅｒｒａ等ｔ５２味用ＨＤＡ技术结合热氧化处理，在ＭＡＮＥＴ?ＩＩ钢表面制备涂层，??４７０°Ｃ时氘ＰＲＦ为?２６０，３００°Ｃ时为?１０００。Ｙａｏ等［５３］在ＭＡＮＥＴＩＩ钢表面制备ＨＤＡ??涂层并比较涂层在气相和液态Ｐｂ－１７Ｕ合金中的阻氢因子，在气相环境中，５７３?Ｋ??时ＰＲＦ为６２０，６２３?Ｋ时为２６０；而在液态环境中ＰＲＦ急剧下降，５７３?Ｋ时为２４？２５，??６２３?Ｋ时为１２？３０。Ｋｏｎｙｓ［５１１认为在液态环境中ＰＲＦ急剧下降的原因是在液态金??属的冲刷下，涂层表面形成了裂纹，从而为氢同位素的渗透提供了快速扩散通道。??６??
?合金元素对Ｖ合金表面铝化物涂层形成影响的第一性原理研究???１．３．３包埋渗铝（ＰＣ）??ＰＣ技术由法国的ＣＥＡ开发，典型的工艺分为两个步骤［６２］：?１）采用ＦｅＡｌ??作为铝源，氧化铝为填充剂，氯化铵为活化剂，渗铝过程在Ａｒ气保护下于??６５０？８５０?°Ｃ进行；２）通过高温氧化形成ＡＩ２Ｏ３膜。涂层的截面如图１．５所示。该??技术工艺简单，无需昂贵设备，涂层较厚且均匀，无气孔，与基体结合良好，并??且能处理复杂形状工件。因此，ＰＣ技术有望成为阻氚涂层工程化制备的候选技??术。??１????＇１??（ａ）７５０°Ｃ渗铝?２ｈ／５００°ＣＭＯＣＶＤ?沉积?Ａｈ〇３２ｈ：?（ｂ）８５０°Ｃ渗铝?４ｈ／８００°Ｃ氧化?１０ｈ??图１．５?ＰＣ技术制备涂层的截面形貌风６２］??研究表明１６２］，采用ＰＣ技术在３１６Ｌ不锈钢和ＤＩＮ１．４９１４钢的样品表面制备??涂层，如果外层Ａｂ〇３的膜厚能达到微米级，则涂层的阻氢因子可达１０３左右。??占勤等ｉ６３＞４１采用ＰＣ技术于７７０°Ｃ渗铝，然后在７５０°Ｃ真空下进行氧化处理，在??３１６Ｌ不锈钢表面制得了?ＦｅＡｌ／Ａｌ２０３复合涂层，其阻氢因子可达１０３？１０４。然而，??ＰＣ技术需采用氯化铵作为活化剂，容易造成基体材料的应力腐蚀１６２］。??１．３．４等离子体喷涂（ＰＳ）??ＰＳ是采用高温等离子体将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，并高速喷向??经过预处理的工件表面，从而在工件表面形成涂层的一种表面强化和改性技术。??意大利国家新技术、能源和环境委员会率先将此技术用于阻氚涂层的制备，其典??型的工艺为｜６１在惰性气氛保护下，将Ａｒ粉末加热到熔融或半熔融状态并喷涂
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国聚变堆结构材料表面阻氚涂层的研究进展[J]. 张桂凯,向鑫,杨飞龙,赖新春,严有为,凌国平,陈长安,汪小琳. 核化学与放射化学. 2015(05)
[2]ITER计划与聚变能发展战略[J]. 张一鸣,曾丽萍,沈欣媛,张利,丁亚清,肖成馨,康卫红,王海. 核聚变与等离子体物理. 2013(04)
[3]Al3Sc和Al3Zr金属间化合物热力学性质的第一性原理计算[J]. 张旭东,王绍青. 金属学报. 2013(04)
[4]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)
[5]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)
[6]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)
[7]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)
博士论文
[1]V-5Cr-5Ti表面V-Al/Al2O3阻氚涂层的制备及性能研究[D]. 彭雪星.中国工程物理研究院 2016
[2]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
[3]固溶体及非晶合金近程序结构的模拟研究[D]. 张崇.大连理工大学 2014
[4]金属表面与原子/分子相互作用的第一性原理计算研究[D]. 孙博.中国工程物理研究院 2009
硕士论文
[1]Ti2AlNb合金氧化行为的第一性原理研究[D]. 李悦.哈尔滨工业大学 2018
[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]金属钛和金属间化合物钛铝氧化的第一原理研究[D]. 刘士余.首都师范大学 2007
本文编号：2900114
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：105 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２不同金属和陶瓷材料的氚渗透率对比［２４〃５１??
热浸铝（ＨＤＡ）??ＨＤＡ是一种尚效的钢铁材料表面防腐蚀技术，能有效提尚钢铁材料的抗局??温氧化和耐腐蚀性能。目前，工业上将ＨＤＡ技术用于钢铁材料制品的表面防护，??己较为成熟。德国卡尔斯鲁厄研究中心（Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｚｅｎｔｒｕｍ?Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ，?ＦＺＫ）首先??将这一技术用于阻氚涂层的研究，开发了相应的ＨＤＡ工艺具体操作为，在??Ａｒ气氛保护下，将不锈钢基体浸入７００°Ｃ铝熔融液体３０ｓ，然后在９５０？１０７５?°Ｃ??进行热氧化处理。通过ＨＤＡ技术制备的阻氚涂层截面如图１．４所示［５１］。３００－４５０?°Ｃ??测试温度下，小样品表面涂层的ＰＲＦ可达１５００？３１００，但工件表面涂层的ＰＲＦ??则远低于此，仅为约１４０。??二??Ｆ８２Ｈ－ｍ〇ｄ．?－?；．．???，丨…＿??（ａ）７００°Ｃ热浸铝?３０ｓ；?（ｂ）ｌ〇４〇°Ｃ／０．５ｈ＋７５０°Ｃ／２ｈ?热处理??图１．４?ＨＤＡ技术制备涂层的截面形貌［５５］??Ｓｅｒｒａ等ｔ５２味用ＨＤＡ技术结合热氧化处理，在ＭＡＮＥＴ?ＩＩ钢表面制备涂层，??４７０°Ｃ时氘ＰＲＦ为?２６０，３００°Ｃ时为?１０００。Ｙａｏ等［５３］在ＭＡＮＥＴＩＩ钢表面制备ＨＤＡ??涂层并比较涂层在气相和液态Ｐｂ－１７Ｕ合金中的阻氢因子，在气相环境中，５７３?Ｋ??时ＰＲＦ为６２０，６２３?Ｋ时为２６０；而在液态环境中ＰＲＦ急剧下降，５７３?Ｋ时为２４？２５，??６２３?Ｋ时为１２？３０。Ｋｏｎｙｓ［５１１认为在液态环境中ＰＲＦ急剧下降的原因是在液态金??属的冲刷下，涂层表面形成了裂纹，从而为氢同位素的渗透提供了快速扩散通道。??６??
?合金元素对Ｖ合金表面铝化物涂层形成影响的第一性原理研究???１．３．３包埋渗铝（ＰＣ）??ＰＣ技术由法国的ＣＥＡ开发，典型的工艺分为两个步骤［６２］：?１）采用ＦｅＡｌ??作为铝源，氧化铝为填充剂，氯化铵为活化剂，渗铝过程在Ａｒ气保护下于??６５０？８５０?°Ｃ进行；２）通过高温氧化形成ＡＩ２Ｏ３膜。涂层的截面如图１．５所示。该??技术工艺简单，无需昂贵设备，涂层较厚且均匀，无气孔，与基体结合良好，并??且能处理复杂形状工件。因此，ＰＣ技术有望成为阻氚涂层工程化制备的候选技??术。??１????＇１??（ａ）７５０°Ｃ渗铝?２ｈ／５００°ＣＭＯＣＶＤ?沉积?Ａｈ〇３２ｈ：?（ｂ）８５０°Ｃ渗铝?４ｈ／８００°Ｃ氧化?１０ｈ??图１．５?ＰＣ技术制备涂层的截面形貌风６２］??研究表明１６２］，采用ＰＣ技术在３１６Ｌ不锈钢和ＤＩＮ１．４９１４钢的样品表面制备??涂层，如果外层Ａｂ〇３的膜厚能达到微米级，则涂层的阻氢因子可达１０３左右。??占勤等ｉ６３＞４１采用ＰＣ技术于７７０°Ｃ渗铝，然后在７５０°Ｃ真空下进行氧化处理，在??３１６Ｌ不锈钢表面制得了?ＦｅＡｌ／Ａｌ２０３复合涂层，其阻氢因子可达１０３？１０４。然而，??ＰＣ技术需采用氯化铵作为活化剂，容易造成基体材料的应力腐蚀１６２］。??１．３．４等离子体喷涂（ＰＳ）??ＰＳ是采用高温等离子体将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，并高速喷向??经过预处理的工件表面，从而在工件表面形成涂层的一种表面强化和改性技术。??意大利国家新技术、能源和环境委员会率先将此技术用于阻氚涂层的制备，其典??型的工艺为｜６１在惰性气氛保护下，将Ａｒ粉末加热到熔融或半熔融状态并喷涂
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国聚变堆结构材料表面阻氚涂层的研究进展[J]. 张桂凯,向鑫,杨飞龙,赖新春,严有为,凌国平,陈长安,汪小琳. 核化学与放射化学. 2015(05)
[2]ITER计划与聚变能发展战略[J]. 张一鸣,曾丽萍,沈欣媛,张利,丁亚清,肖成馨,康卫红,王海. 核聚变与等离子体物理. 2013(04)
[3]Al3Sc和Al3Zr金属间化合物热力学性质的第一性原理计算[J]. 张旭东,王绍青. 金属学报. 2013(04)
[4]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)
[5]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)
[6]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)
[7]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)
博士论文
[1]V-5Cr-5Ti表面V-Al/Al2O3阻氚涂层的制备及性能研究[D]. 彭雪星.中国工程物理研究院 2016
[2]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
[3]固溶体及非晶合金近程序结构的模拟研究[D]. 张崇.大连理工大学 2014
[4]金属表面与原子/分子相互作用的第一性原理计算研究[D]. 孙博.中国工程物理研究院 2009
硕士论文
[1]Ti2AlNb合金氧化行为的第一性原理研究[D]. 李悦.哈尔滨工业大学 2018
[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]金属钛和金属间化合物钛铝氧化的第一原理研究[D]. 刘士余.首都师范大学 2007
本文编号：2900114
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