氧化鋁-鐵鋁復(fù)合涂層表面氘溶解及擴(kuò)散行為研究.pdf

1、當(dāng)下我國的霧霾防治刻不容緩，發(fā)展核能這種清潔能源是解決這種問題的有效渠道。聚變反應(yīng)可以釋放大量能量，聚變反應(yīng)的燃料氚可以通過 Li-6核反應(yīng)產(chǎn)生，而 Li-6在海洋中含量非?？捎^，因此，聚變能是未來長期可持續(xù)發(fā)展的重要清潔能源之一。但是，氚具有β放射性，物理化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，在氚生產(chǎn)、使用、儲存、運輸以及聚變堆產(chǎn)氚包層、氚燃料循環(huán)工藝等系統(tǒng)中都存在氚的滲透問題。當(dāng)前在氚工藝系統(tǒng)中采用的金屬材料以316L奧氏體不銹鋼居多，316L不銹鋼綜

2、合性能較好，氚滲透率相對其他金屬材料較低，是聚變堆氚工藝系統(tǒng)很有希望的候選結(jié)構(gòu)材料之一，但是，由于316L不銹鋼的阻氚滲透效果仍無法滿足當(dāng)前需要，因此，目前許多研究工作的重點均放在研究金屬材料加上低氚滲透率表面涂層的材料上，國內(nèi)外對阻氚滲透涂層已開展了大量研究，成功制備出多種涂層材料，主要包括鈦基陶瓷、鋁化物、硅化物、氧化物等四種。
　　本論文以包埋滲鋁-原位氧化兩步法在316L不銹鋼表面制備Al2O3/Fe-Al復(fù)合涂層氚工藝系

3、統(tǒng)典型樣品作為研究對象，研究其在低氚壓（0.1-10Pa）下的滲透性能。由于氚具有放射性，因此，實驗過程使用與氚化學(xué)性質(zhì)相似的氘氣，通過開展 Al2O3/Fe-Al復(fù)合涂層在低氘壓（0.1-10Pa）下的熱注入溫度、時間影響實驗，獲得不同氘濃度分布的含氘樣品；繼而，采用輝光放電光譜儀（GDEOS）測量出熱注入氘樣品的氘濃度深度定性分布曲線(U-t）；根據(jù)Ti膜定量吸氘及四極質(zhì)譜儀（QMS）制備出含氘標(biāo)樣，采用GDOES激發(fā)測試含氘標(biāo)樣，

4、獲得氘含量與GDOES激發(fā)強(qiáng)度定量轉(zhuǎn)化關(guān)系系數(shù)；在此基礎(chǔ)上可以得到Fe-Al/Al2O3復(fù)合涂層在低氘壓（0.1-10Pa）下樣品中氘元素濃度深度分布的定量分布曲線（QDP），根據(jù)氘元素在材料中的分布結(jié)合相應(yīng)的濃度分布特征方程、特征解，計算擬合得到材料各層的擴(kuò)散系數(shù)和氧化鋁表面氘的溶解度，從而為氚工藝系統(tǒng)的滲透模型提供重要依據(jù)。
　　研究主要從以下四個方面展開：
　?、偎臉O質(zhì)譜儀的氘元素定量標(biāo)定。首先對四極質(zhì)譜儀（QMS）進(jìn)

5、行氘定量分析，實驗中采取了六段不同的壓強(qiáng)變化范圍：一次性注入氘壓強(qiáng)P1，直到壓強(qiáng)降至P2，并用壓力傳感器自動記錄壓強(qiáng)變化數(shù)據(jù)。利用公式)V．lnP1-P2=C．．(t2-t1)得到流導(dǎo)自制漏孔 C(3.60E-2、3.61E-2、3.60E-2、3.60E-2、3.59E-2、3.60E-2 cm3/s)；再以壓強(qiáng)變化，以及對應(yīng)的QMS電流信號強(qiáng)度I和電流積分面積A，可以得到漏率Q與I的關(guān)系，即獲得漏率系數(shù)α擬合值(Pa.cm3.s-1

6、).A-1(2.51E11、2.50E11、2.51E11、2.53E11、2.51E11、2.30E11)；最后利用壓力差(P1－P2)得到注入氘氣量 N=(P1－P2)*V，并通過線性擬合得到積分面積A和氘氣量N的標(biāo)定系數(shù)β((Pa.cm3).(A.s)-1)(N=2.76E11*A+1.36)。
　?、诩冄趸X片滲氘和Ti膜定量吸氘樣品的制備。純氧化鋁由于阻氚滲透因子（PRF）較高，氧化鋁經(jīng)過高溫、高氘壓長時間滲透，氧化鋁內(nèi)

7、部溶解較少氘原子，因此，不適于制作標(biāo)準(zhǔn)樣品；通過磁控濺射方法得到的Ti-M o膜樣品，經(jīng)過高溫、高真空除氣活化之后，表面Ti具有較高的活性，能快速與氘氣結(jié)合，尤其是采用磁控濺射方法在Ti-Mo膜表面再鍍一層Ni，更有利于保持 Ti的活性，實驗根據(jù) Ti-M o膜的特性順利制備了標(biāo)準(zhǔn)樣品TiDx(x=0.0058、0.01、0.0016、0.0048)。
　?、?FeAl/Al2O3熱注入氘樣品定性分析及濃度深度分布定量轉(zhuǎn)化。為使現(xiàn)

8、有輝光放電光譜儀（GDOES）對氘元素(D)既可以定性，又可以定量。實驗采用制作標(biāo)準(zhǔn)樣TiDx標(biāo)定GDOES，以標(biāo)準(zhǔn)樣TiDx與其對應(yīng)的輝光放電光譜儀（GDOES）的電壓信號值U(V)為坐標(biāo)Y軸，再以標(biāo)準(zhǔn)樣TiDx中的氘原子與鈦原子的個數(shù)比為坐標(biāo)X軸，兩者線性擬合，得到D/Ti與輝光放電光譜儀（GDOES）的電壓信號值U(V)之間的關(guān)系（Y=1.17E5*X-65.5），達(dá)到輝光放電光譜儀對氘元素的定量分析。采用自研的熱注入微壓氘實驗裝

9、置，制備出熱注入氘壓(0.1-10)Pa、溫度（320-450）℃、保溫時間（0-48）h的含氘樣品，采用輝光放電光譜儀(GDOES)，定量分析測量氧化鋁、鐵鋁過渡層中氘濃度及其深度分布隨時間的變化規(guī)律。
　?、茈肮に囅到y(tǒng)滲透模型參數(shù)分析與參數(shù)求解。根據(jù)氚工藝系統(tǒng)中滲透模型參數(shù)分析要求，需得到氘在氧化鋁、鐵鋁過渡層各層中的擴(kuò)散系數(shù)和氘在氧化鋁表面的溶解度。結(jié)合TMAP7中關(guān)于半無限大平板模型，及誤差函數(shù)）C(x, t)=Cs× e

10、rfc(x-2√Dt)（找出最接近的涂層內(nèi)部濃度分布的曲線，繼而得到氘在 Al2O3中的擴(kuò)散系數(shù) D(T=320℃， D=4.4E-22m2/s、T=400℃， D=3.84E-20m2/s、T=450℃，D=3.64E-19m2/s)和在Fe-Al的中擴(kuò)散系數(shù)D(T=320℃，7.14E-18 m2/s、T=400℃，6.43E-17 m2/s、T=450℃，5.79E-16m2/s)，再利用公式nCs Ks P得到氘在氧化鋁表面的溶