多因素耦合作用下α-Al2O3阻氚涂層形成規(guī)律及機(jī)理研究.pdf

1、在316L不銹鋼表面涂覆一定厚度的陶瓷阻氚涂層是目前開(kāi)發(fā)聚變能的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題之一。眾多陶瓷涂層中，α-Al2O3由于其具有較低的氚滲透率成為當(dāng)前阻氚涂層研究重點(diǎn)。但穩(wěn)態(tài)α-Al2O3相變所需的高溫（大于1000℃）會(huì)嚴(yán)重影響基體材料的機(jī)械性能。本課題提出了低溫下(580℃)采用雙輝等離子滲金屬技術(shù)在316L不銹鋼表面制備Fe-Al/α-Al2O3涂層，形成的Fe-Al過(guò)渡層可以提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)，通過(guò)引入α-Al2O3

2、晶種及稀土元素Y來(lái)降低α-Al2O3涂層的形成溫度。
　　利用掠射角X射線衍射儀(GAXRD)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、能譜儀(EDS)、X射線光電子能譜儀(XPS)及場(chǎng)發(fā)射透射電鏡(FETEM)等分別對(duì)涂層相組成、組織結(jié)構(gòu)和微觀形貌行了表征，研究了α-Al2O3涂層的生長(zhǎng)機(jī)理，探討了單因素(離子轟擊)、雙因素(離子轟擊、添加α-Al2O3晶種)及多因素耦合作用下(離子轟擊、添加α-Al2O3晶種和稀土元素Y)對(duì)α-Al2O

3、3的誘導(dǎo)機(jī)理，最后研究不同因素對(duì)氧化涂層的結(jié)合力、硬度、耐磨性能和耐腐蝕性能的影響，對(duì)比分析了摻雜α-Al2O3晶種及共摻雜α-Al2O3晶種與稀土元素Y制備的氧化涂層的阻氘滲透性能。論文的主要研究成果有：
　　1）通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了O2-在Al涂層中的擴(kuò)散機(jī)理，研究表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與SRIM軟件模擬的O2-離子在Al涂層中的分布情況相吻合，高能O2-離子可以擴(kuò)散到涂層的內(nèi)部。進(jìn)一步通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬O2-離子在

4、涂層中的擴(kuò)散機(jī)理，結(jié)果表明，涂層中形成的空位促進(jìn)了O2-離子的擴(kuò)散。利用雙輝等離子滲金屬技術(shù)在純鐵表面制備了Al涂層，通過(guò)擴(kuò)散形成Fe-Al間隙化合物，在580oC下對(duì)涂層進(jìn)行了等離子氧化。研究表明，在實(shí)驗(yàn)初始階段，由于濺射和重濺射及沉積的同時(shí)發(fā)生，F(xiàn)eAl和Fe3Al很容易在界面處產(chǎn)生；隨著雙陰極電壓的穩(wěn)定，沉積和擴(kuò)散占主導(dǎo)地位，這導(dǎo)致了Al與Fe之間形成了相互擴(kuò)散。尤其是離子轟擊下空位的形成，促使了擴(kuò)散速率更快。最終形成的涂層是由很

5、多納米晶組成的，通過(guò) FETEM測(cè)試發(fā)現(xiàn)，涂層中存在大量的缺陷，如空位、位錯(cuò)和晶界。正是由于這些缺陷的存在，為O2-離子的擴(kuò)散提供了快速通道，在等離子氧化后，氧化涂層中的相主要為α-Al2O3，γ-Al2O3和Fe2O3；此外，由于Fe和Al的本征擴(kuò)散系數(shù)不同產(chǎn)生了柯肯達(dá)爾效應(yīng)，在氧化涂層中形成了大量的孔洞，這些孔洞被一些氧化物所填充。
　　2）為了在316L不銹鋼表面獲得較厚且均勻致密的α-Al2O3涂層，采用正交實(shí)驗(yàn)分析了雙輝

6、等離子技術(shù)沉積參數(shù)——源極電壓、工件極電壓、工作氣壓及極間距對(duì)涂層厚度的影響規(guī)律。結(jié)果表明極間距對(duì)沉積涂層的厚度影響最大；在最優(yōu)工藝參數(shù)下制備的涂層致密未發(fā)現(xiàn)任何裂紋與缺陷，厚度約為11.6μm。氧流量對(duì)涂層結(jié)構(gòu)及性能的影響表明，隨著氧流量的增加促進(jìn)了α-Al2O3的形成；FETEM研究發(fā)現(xiàn)，沉積的涂層氧化前有α-Al2O3晶種的存在，形成的Fe-Al間隙化合物依附在晶種上，等離子氧化后，在高能離子轟擊及α-Al2O3晶種的誘導(dǎo)下，涂層

7、表面為純的α-Al2O3，而內(nèi)層主相為α-Al2O3并含有少量γ-Al2O3相。涂層中的α-Al2O3晶種為α-Al2O3的形成提高更多的形核點(diǎn)，而離子轟擊為表面的涂層提供更多的能量，促使α-Al2O3形成溫度降低了。由于Fe和Al的擴(kuò)散形成了間隙化合物相，涂層最終結(jié)構(gòu)為 SS/FeAl/(Al2O3+Fe2O3)/Al2O3，這一結(jié)構(gòu)可以避免基體與沉積涂層因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)不匹配而產(chǎn)生裂紋。
　　3）在引入α-Al2O3晶種的基礎(chǔ)上

8、，通過(guò)添加稀土元素Y研究多因素耦合作用對(duì)α-Al2O3涂層的形成規(guī)律的影響。通過(guò)FETEM研究發(fā)現(xiàn)，Y在涂層中是不連續(xù)分布的，主要集中在涂層的晶界處；在等離子氧化下，Y被氧化形成了Y2O3；在等離子轟擊、α-Al2O3晶種及稀土元素Y多因素耦合作用下，AlYα氧化涂層中存在大量α-Al2O3。
　　4）隨著Y元素的加入，涂層的結(jié)合力有所提高。AlYα氧化涂層和Alα氧化涂層腐蝕電流比316L不銹鋼基體降低了近3個(gè)數(shù)量級(jí)；600℃下