【摘 要】
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氢的同位素氘、氚作为核聚变能的主要燃料,易在聚变堆包层金属结构材料中扩散渗透,造成聚变燃料的损失、结构材料氢脆和氚放射性污染等一系列严重后果。因此,如何防止氘、氚渗透泄露,成为当前聚变堆材料亟需解决的关键难题之一。陶瓷材料具有良好的阻氚效果以及耐热、耐腐蚀性,被认为是目前最佳的阻氚材料。因此,研制高性能阻氚陶瓷涂层对解决聚变堆的氚渗透问题具有重要意义。Cr2N涂层具有高化学稳定性、低氚渗透率以及热
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氢的同位素氘、氚作为核聚变能的主要燃料,易在聚变堆包层金属结构材料中扩散渗透,造成聚变燃料的损失、结构材料氢脆和氚放射性污染等一系列严重后果。因此,如何防止氘、氚渗透泄露,成为当前聚变堆材料亟需解决的关键难题之一。陶瓷材料具有良好的阻氚效果以及耐热、耐腐蚀性,被认为是目前最佳的阻氚材料。因此,研制高性能阻氚陶瓷涂层对解决聚变堆的氚渗透问题具有重要意义。Cr2N涂层具有高化学稳定性、低氚渗透率以及热膨胀系数接近于低活化钢等优势,有望成为新型高性能阻氚材料。本文成功制备了Cr/Cr2N双层涂层,系统研究了氮化温度、时间等工艺参数对Cr2N复合涂层微观结构、组织形貌以及综合性能的影响。得到的主要研究结果如下:采用电泳沉积结合氮化热处理获得均匀致密的Cr2N涂层,涂层表面平整,无孔洞和裂纹。在富氮气氛下经700°C保温2 h,制备的Cr2N涂层晶粒细小,尺寸均匀,晶粒大小仅为50 nm,远小于Cr2O3的晶粒尺寸（1μm）,晶粒之间结合紧密,无明显孔隙。涂层厚度约为7μm,呈现双层结构特征,外层为2μm厚的Cr2N涂层,内层为Cr/Fe过渡层,过渡层的形成有利于提高涂层与基体的结合力。对Cr2N涂层的力学性能、抗腐蚀和抗热冲击性能进行表征。其维氏硬度可达671 HV500g。涂层具有良好的抗化学腐蚀性能,其自腐蚀电位高于基材,自腐蚀电流密度比基材低一个数量级以上。在600°C测试其抗热冲击性能,经过200次热冲击试验后,涂层保持完整,无脱落现象,表明涂层与基材紧密结合且具有良好的热兼容性。对Cr2N涂层的抗氧化性能进行测试。将涂层置于500～700°C下氧化,自然冷却后,研究其组织形貌变化。结果表明,在低于650°C时涂层未被氧化,在700°C下有较多Cr2O3生成。通过调节氧化时间,可以得到Cr/Cr2O3/Cr2N层状复合结构,层状结构中界面的形成有利于提高其阻氚性能。
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