氧化鋁-鐵鋁復合涂層表面氘溶解及擴散行為研究.pdf

1、當下我國的霧霾防治刻不容緩，發展核能這種清潔能源是解決這種問題的有效渠道。聚變反應可以釋放大量能量，聚變反應的燃料氚可以通過 Li-6核反應產生，而 Li-6在海洋中含量非?？捎^，因此，聚變能是未來長期可持續發展的重要清潔能源之一。但是，氚具有β放射性，物理化學性質非?；顫?，在氚生產、使用、儲存、運輸以及聚變堆產氚包層、氚燃料循環工藝等系統中都存在氚的滲透問題。當前在氚工藝系統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很有希望的候選結構材料之一，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復合涂層氚工藝系

3、統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性質相似的氘氣，通過開展 Al2O3/Fe-Al復合涂層在低氘壓（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Ti膜定量吸氘及四極質譜儀（QMS）制備出含氘標樣，采用GDOES激發測試含氘標樣，

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

5、行氘定量分析，實驗中采取了六段不同的壓強變化范圍：一次性注入氘壓強P1，直到壓強降至P2，并用壓力傳感器自動記錄壓強變化數據。利用公式)V．lnP1-P2=C．．(t2-t1)得到流導自制漏孔 C(3.60E-2、3.61E-2、3.60E-2、3.60E-2、3.59E-2、3.60E-2 cm3/s)；再以壓強變化，以及對應的QMS電流信號強度I和電流積分面積A，可以得到漏率Q與I的關系，即獲得漏率系數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的標定系數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，氧化鋁經過高溫、高氘壓長時間滲透，氧化鋁內

7、部溶解較少氘原子，因此，不適于制作標準樣品；通過磁控濺射方法得到的Ti-M o膜樣品，經過高溫、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 Ti-M o膜的特性順利制備了標準樣品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化。為使現

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。實驗采用制作標準樣TiDx標定GDOES，以標準樣TiDx與其對應的輝光放電光譜儀（GDOES）的電壓信號值U(V)為坐標Y軸，再以標準樣TiDx中的氘原子與鈦原子的個數比為坐標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)之間的關系（Y=1.17E5*X-65.5），達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律。
　?、茈肮に囅到y滲透模型參數分析與參數求解。根據氚工藝系統中滲透模型參數分析要求，需得到氘在氧化鋁、鐵鋁過渡層各層中的擴散系數和氘在氧化鋁表面的溶解度。結合TMAP7中關于半無限大平板模型，及誤差函數）C(x, t)=Cs× e

10、rfc(x-2√Dt)（找出最接近的涂層內部濃度分布的曲線，繼而得到氘在 Al2O3中的擴散系數 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的中擴散系數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