室温熔盐镀铝—氧化法制备铝化物阻氘层技术研究

论文摘要

氚对包容自身的金属结构材料仍具有高的渗透能力。氚的渗出可产生氚量的损失以及环境的放射性危害。在氚包容材料表面制备能够抑制氚渗出的涂层（阻氚层）是减少氚向环境逃逸的有效措施之一,也是解决ITER（国际热核聚变实验堆）涉氚系统中高温组件氚渗透问题的关键技术。FeAl/Al2O3铝化物阻氚层是公认具有优良阻氚性能与自修复功能的涂层。然而,目前的涂层制备方法还未能满足实用化要求。为此,提出一种新的制备方法：采用室温熔盐电镀铝方法先在不锈钢表面制备一定厚度的铝镀层,其后通过热处理得到富铝的Fe-Al涂层,最后经过氧化在Fe-Al层表面形成Al2O3膜,并在21-6-9、1Cr18Ni9Ti不锈钢表面开展了涂层的制备工艺、结构和性能研究,取得了较好的结果。1.采用AlCl3-EMIC（氯化1-甲基3-乙基咪唑）室温熔盐体系在21-6-9钢上获得结合牢固的纯铝电镀层。镀层表面光滑、色泽均匀、结构致密,由数微米大小、均匀分布的等轴状晶粒生长而成。镀前处理、电流密度、电镀温度和电镀时间的影响程度依次降低：电化学清洗前处理能显著提高镀层结合强度；镀层颗粒尺寸随电流密度、沉积温度和电镀时间增加而增大,但电流密度的影响最为显著；镀层总厚度随电镀时间增加呈近似的线性增长关系。确定了较优的室温熔盐电镀铝工艺,并在1Cr18Ni9Ti不锈钢实物上取得满意的镀覆效果。2.大气中、650-750℃下通过1-30h的热处理,在21-6-9不锈钢表面形成成分渐变、冶金结合的Fe-Al涂层。涂层厚度3-30μm,结构致密,双层或三层结构,成分由表面向基体中心逐渐从Al基化合物转变为Fe基化合物。涂层厚度除与热处理温度、热处理时间和预镀Al层厚度相关外,还受冷却速率的影响。大体上,Fe-Al涂层厚度（hFe-Al）与温度（T）、时间（t）和Al镀层厚度（hAl）间的关系为：hFe-Al=2.39×106t1/2h1/2Al exp[-116900/（RT）]。涂层形成过程受原子扩散控制,分为1)初始Fe-Al合金形成,2)Fe-Al涂层生长和3)Fe-Al涂层扩散退火三个阶段。3.根据合金选择性氧化原理,采用700℃、低氧分压（Ar、10-2O2）氧化工艺,在21-6-9、1Cr18Ni9Ti不锈钢Fe-Al涂层表面制得结合牢固、致密的、100-300nm的Al203膜。最终所制涂层由微米级厚的FeAl/Fe3Al扩散层及纳米级的γ-Al2O3外层组成,层间及界面均无空洞。较优的氧化工艺为Fe-Al涂层700-750℃、10-2O2、Ar中氧化100-200h。4.在1Cr18Ni8Ti不锈钢结构容器表面制备的FeAl/Al2O3铝化物阻氚层外表美观、结构致密、与基体结合良好；600-727℃涂层使容器的氘渗透率降低2-3个数量级,涂层抗750℃-室温冷热循环10余次。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 阻氚层的材料选择与发展概况
• 1.2.1 阻氚层的材料选择
• 1.2.2 阻氚层的发展概况
• 1.3 铝化物阻氚层制备方法的研究现状
• 1.3.1 热浸铝法（HDA）
• 1.3.2 包埋渗铝法（PC）
• 1.3.3 真空等离子喷涂法（VPS）
• 1.3.4 不锈钢结构容器表面阻氚层制备
• 1.3.5 现有制备方法存在的问题
• 1.4 室温熔盐电镀铝的研究现状
• 3-BPC熔盐镀Al'>1.4.1 AlCl₃-BPC熔盐镀Al
• 3-EMIC熔盐镀Al'>1.4.2 AlCl₃-EMIC熔盐镀Al
• 3-TMPAC熔盐镀Al'>1.4.3 AlCl₃-TMPAC熔盐镀Al
• 1.4.4 室温熔盐电镀Al的机理
• 1.5 课题研究思路
• 1.5.1 制备方法提出
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 研究目标
• 第二章 21-6-9及1Cr18Ni9Ti不锈钢表面室温熔盐镀Al技术
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验材料与设备
• 2.2.2 实验过程
• 2.2.3 镀层组织结构表征
• 2.3 实验结果与讨论
• 3-EMIC熔盐合成'>2.3.1 AlCl₃-EMIC熔盐合成
• 2.3.2 镀层组织与性能
• 2.3.3 工艺参数对Al镀层形成的影响
• 3-EMIC熔盐镀Al工艺条件确定'>2.3.4 AlCl₃-EMIC熔盐镀Al工艺条件确定
• 2.3.5 不锈钢结构件实物镀Al
• 2.4 本章小结
• 第三章 镀铝21-6-9不锈钢表面Fe-Al涂层制备技术
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 Fe-Al涂层的表面形貌
• 3.3.2 Fe-Al涂层的截面形貌
• 3.3.3 Fe-Al涂层的物相结构
• 3.3.4 工艺参数对涂层形成的影响
• 3.3.5 500℃热处理后涂层的形貌与成分
• 3.4 讨论
• 3.4.1 Fe-Al涂层的形成过程
• 3.4.2 Fe-Al涂层生长动力学模型
• 3.4.3 不锈钢成分对涂层形成的影响
• 3.5 热处理工艺的确定
• 3.6 本章小结
• 第四章 21-6-9及1Cr18Ni9Ti不锈钢表面Fe-Al涂层氧化技术
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 实验设计依据
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 实验结果与讨论
• -2PaO₂中氧化后21-6-9钢表面涂层'>4.3.1 10^-2PaO₂中氧化后21-6-9钢表面涂层
• 4.3.2 Ar中氧化后1Cr18Ni9Ti钢表面涂层
• 4.3.4 氧化工艺条件的确定
• 4.3.5 讨论
• 4.5 氧化后涂层的物相组织
• 4.6 本章小结
• 第五章 不锈钢表面铝化物阻氚层的性能测试
• 5.1 阻氘渗透性能
• 5.1.1 测试原理与方法
• 5.1.2 实验样品
• 5.1.3 结果与讨论
• 5.2 抗热震性能
• 5.2.1 测试原理与方法
• 5.2.2 结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录