鈾表面離子鍍氮化物防護薄膜研究.pdf

1、金屬鈾具有獨特核性能而廣泛應(yīng)用于國防和核能工程等領(lǐng)域。但鈾材料化學性質(zhì)十分活潑，在自然環(huán)境中容易腐蝕且腐蝕速度極快。由于腐蝕總是從表面開始的，因此以表面技術(shù)來延緩乃至克服鈾的腐蝕一直受到關(guān)注。 鈾的腐蝕最終會使得部件失效，因此在鈾表面獲得耐磨抗蝕薄膜成為了該論文研究的核心問題。在這眾多的表面技術(shù)中，磁控濺射和電弧離子鍍技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的兩種薄膜沉積方法。而微波-ECR等離子體增強沉積是磁控濺射和微波源的結(jié)合產(chǎn)物，它具有：沉膜

2、速度快；所得薄膜致密；低溫成膜，對基體影響很小等優(yōu)點。電弧離子鍍具有離化率高；膜基結(jié)合力強等特點。 該論文選用了微波-ECR等離子體增強沉積和電弧離子鍍技術(shù)作為研究手段。 主要結(jié)論： 該論文利用微波-ECR等離子體增強沉積裝置先在模擬材料45＃鋼上沉積Zr-N、Ti-N薄膜，主要研究N2分壓和偏壓的影響。結(jié)果表明：Zr-N薄膜結(jié)構(gòu)受N2分壓和偏壓的影響較大，而Ti-N薄膜則不明顯。隨N2分壓增加，Zr-N薄膜硬度

3、在（19.8～26.3）GPa之間變化，先增加后降低，Ti-N薄膜硬度一直增加，在（23.0～28.2）GPa之間變化。隨偏壓的增加，Zr-N、Ti-N薄膜硬度均呈先增加后降低趨勢，Zr-N薄膜硬度在（20.0～26.0）GPa之間變化，Ti-N薄膜硬度在（22.5～28.4）GPa之間變化。在0.5mol/LNaCl溶液中的陽極極化實驗表明：與基體材料相比，Zr-N薄膜Ecorr最多升高大約118mV，基體Icorr為9.036μA，

4、鍍制薄膜后最小降至0.142μA。Ti-N薄膜Ecorr最多升高大約111mV，Icorr降低約2個數(shù)量級。在實驗工藝參數(shù)范圍內(nèi)，接近1：1化學配比的2＃ZrN和2-1＃TiN在-80V偏壓下顯示出最好的耐磨抗蝕綜合性能。選擇這兩種工藝在45＃鋼半球殼表面制備了ZrN和TiN薄膜，大氣中存放至今已有2年，樣品沒有明顯變化，獲得了較好的抗腐蝕保護。 鈾基表面Ti/TiN多層薄膜制備在電弧離子鍍設(shè)備上完成。薄膜表面平整、致密，仍然存

5、在大顆粒和圓坑，隨偏壓的增加大顆粒逐漸減少。所得的多層膜呈層狀、柱狀結(jié)構(gòu)生長，隨偏壓的增加，柱狀晶結(jié)構(gòu)細化，薄膜致密。隨偏壓的升高，摩擦系數(shù)有所降低，耐磨性能增強。由于所制備的多層膜為軟/硬交替沉積Ti/TiN，且每層較厚，使得其硬度，耐磨性能稍低于單層膜，但刻劃實驗表明：多層膜具有更好的結(jié)合力，結(jié)合力最好的-800V脈沖偏壓下的Ti/TiN多層膜結(jié)合力為72N。 Ti/TiN多層薄膜抗腐蝕性能良好，Cl-腐蝕和極化實驗表明：性

6、能最好的-800V脈沖偏壓下樣品在50μg/gCl-溶液中，Ecorr升高了約714mV，Icorr降低了約2個數(shù)量級。Ti/TiN多層膜在50℃、75％濕熱腐蝕環(huán)境中顯示出很好的抗大氣腐蝕性能。Cl-腐蝕和電化學腐蝕研究表明，單層膜、梯度膜為貫穿基體的缺陷失效，抗腐蝕性能差；而多層膜提高抗腐蝕性能源于層狀失效，使得腐蝕介質(zhì)到達基體更加困難，抗腐蝕性能優(yōu)良。 在工藝方面，提出了一系列實用措施，設(shè)計了專門的工裝夾具和轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，克服