合金元素對V合金表面鋁化物涂層形成影響的第一性原理研究
發(fā)布時間：2020-12-05 21:22
在聚變堆結構材料表面制備阻氚涂層是降低氚滲透造成的材料損傷以及放射性危害,維持氘氚燃料自持循環(huán)的有效途徑之一。釩合金具有優(yōu)良的高溫力學性能和低活化特性,是聚變堆中候選的結構材料,但氫同位素在其中的滲透率遠高于其他候選結構材料（RAFM鋼、SiCf/SiC復合材料）,并易形成氫化物。采用“基體滲鋁+氧化”制備的以富Al合金為過渡層、Al2O3膜為外層的鋁化物阻氚涂層體系具有化學性能穩(wěn)定、自修復能力強、與結構材料結合良好等優(yōu)點,是中國、歐盟和印度公認的較優(yōu)阻氚涂層之一。然而,目前關于釩合金表面鋁化物阻氚涂層的研究較少,且涂層性能與鋼基體表面鋁化物涂層的性能差距不小,這與V-Al合金層的形成及其表面較難形成性能優(yōu)異的Al2O3膜有關。為此,本文采用第一性原理方法與熱力學原理的結合,研究滲鋁過程中合金元素對富Al合金層成分和微觀結構的影響機制,以及釩合金表面富Al合金層的選擇性氧化行為及合金元素的影響機制,揭示合金元素在釩合金表面鋁化物涂層形成過程中的作用機制。主要研究成果如下:1.揭示了 V合金表面富Al合金層形成過程中合金元素的作用機制,發(fā)現(xiàn)Ti降低Al在V中的擴散速度,而Cr無明顯影響。...
【文章來源】：中國工程物理研究院北京市
【文章頁數(shù)】：105 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．２不同金屬和陶瓷材料的氚滲透率對比［２４〃５１??
熱浸鋁（ＨＤＡ）??ＨＤＡ是一種尚效的鋼鐵材料表面防腐蝕技術，能有效提尚鋼鐵材料的抗局??溫氧化和耐腐蝕性能。目前，工業(yè)上將ＨＤＡ技術用于鋼鐵材料制品的表面防護，??己較為成熟。德國卡爾斯魯厄研究中心（Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｚｅｎｔｒｕｍ?Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ，?ＦＺＫ）首先??將這一技術用于阻氚涂層的研究，開發(fā)了相應的ＨＤＡ工藝具體操作為，在??Ａｒ氣氛保護下，將不銹鋼基體浸入７００°Ｃ鋁熔融液體３０ｓ，然后在９５０？１０７５?°Ｃ??進行熱氧化處理。通過ＨＤＡ技術制備的阻氚涂層截面如圖１．４所示［５１］。３００－４５０?°Ｃ??測試溫度下，小樣品表面涂層的ＰＲＦ可達１５００？３１００，但工件表面涂層的ＰＲＦ??則遠低于此，僅為約１４０。??二??Ｆ８２Ｈ－ｍ〇ｄ．?－?；．．???，丨…＿??（ａ）７００°Ｃ熱浸鋁?３０ｓ；?（ｂ）ｌ〇４〇°Ｃ／０．５ｈ＋７５０°Ｃ／２ｈ?熱處理??圖１．４?ＨＤＡ技術制備涂層的截面形貌［５５］??Ｓｅｒｒａ等ｔ５２味用ＨＤＡ技術結合熱氧化處理，在ＭＡＮＥＴ?ＩＩ鋼表面制備涂層，??４７０°Ｃ時氘ＰＲＦ為?２６０，３００°Ｃ時為?１０００。Ｙａｏ等［５３］在ＭＡＮＥＴＩＩ鋼表面制備ＨＤＡ??涂層并比較涂層在氣相和液態(tài)Ｐｂ－１７Ｕ合金中的阻氫因子，在氣相環(huán)境中，５７３?Ｋ??時ＰＲＦ為６２０，６２３?Ｋ時為２６０；而在液態(tài)環(huán)境中ＰＲＦ急劇下降，５７３?Ｋ時為２４？２５，??６２３?Ｋ時為１２？３０。Ｋｏｎｙｓ［５１１認為在液態(tài)環(huán)境中ＰＲＦ急劇下降的原因是在液態(tài)金??屬的沖刷下，涂層表面形成了裂紋，從而為氫同位素的滲透提供了快速擴散通道。??６??
?合金元素對Ｖ合金表面鋁化物涂層形成影響的第一性原理研究???１．３．３包埋滲鋁（ＰＣ）??ＰＣ技術由法國的ＣＥＡ開發(fā)，典型的工藝分為兩個步驟［６２］：?１）采用ＦｅＡｌ??作為鋁源，氧化鋁為填充劑，氯化銨為活化劑，滲鋁過程在Ａｒ氣保護下于??６５０？８５０?°Ｃ進行；２）通過高溫氧化形成ＡＩ２Ｏ３膜。涂層的截面如圖１．５所示。該??技術工藝簡單，無需昂貴設備，涂層較厚且均勻，無氣孔，與基體結合良好，并??且能處理復雜形狀工件。因此，ＰＣ技術有望成為阻氚涂層工程化制備的候選技??術。??１????＇１??（ａ）７５０°Ｃ滲鋁?２ｈ／５００°ＣＭＯＣＶＤ?沉積?Ａｈ〇３２ｈ：?（ｂ）８５０°Ｃ滲鋁?４ｈ／８００°Ｃ氧化?１０ｈ??圖１．５?ＰＣ技術制備涂層的截面形貌風６２］??研究表明１６２］，采用ＰＣ技術在３１６Ｌ不銹鋼和ＤＩＮ１．４９１４鋼的樣品表面制備??涂層，如果外層Ａｂ〇３的膜厚能達到微米級，則涂層的阻氫因子可達１０３左右。??占勤等ｉ６３＞４１采用ＰＣ技術于７７０°Ｃ滲鋁，然后在７５０°Ｃ真空下進行氧化處理，在??３１６Ｌ不銹鋼表面制得了?ＦｅＡｌ／Ａｌ２０３復合涂層，其阻氫因子可達１０３？１０４。然而，??ＰＣ技術需采用氯化銨作為活化劑，容易造成基體材料的應力腐蝕１６２］。??１．３．４等離子體噴涂（ＰＳ）??ＰＳ是采用高溫等離子體將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并高速噴向??經過預處理的工件表面，從而在工件表面形成涂層的一種表面強化和改性技術。??意大利國家新技術、能源和環(huán)境委員會率先將此技術用于阻氚涂層的制備，其典??型的工藝為｜６１在惰性氣氛保護下，將Ａｒ粉末加熱到熔融或半熔融狀態(tài)并噴涂
【參考文獻】：
期刊論文
[1]我國聚變堆結構材料表面阻氚涂層的研究進展[J]. 張桂凱,向鑫,楊飛龍,賴新春,嚴有為,凌國平,陳長安,汪小琳. 核化學與放射化學. 2015(05)
[2]ITER計劃與聚變能發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 張一鳴,曾麗萍,沈欣媛,張利,丁亞清,肖成馨,康衛(wèi)紅,王海. 核聚變與等離子體物理. 2013(04)
[3]Al3Sc和Al3Zr金屬間化合物熱力學性質的第一性原理計算[J]. 張旭東,王紹青. 金屬學報. 2013(04)
[4]不銹鋼異型件表面阻氚層制備技術的研究進展[J]. 張桂凱,李炬,陳長安,竇三平. 機械工程材料. 2010(04)
[5]滲鋁-真空預氧化制備FeAl/Al2O3防氚滲透涂層性能[J]. 占勤,楊洪廣,趙崴巍,袁曉明. 材料熱處理學報. 2008(02)
[6]HOT DIPPING ALUMINIZED COATING AS HYDROGEN PERMEATION BARRIER[J]. Z. Y Yao, M. Chini, A. Aiello and G. Benamati (China Institute of Atomic Energy, P.O.Box 275-51, Beijing 1024l3, China) ( Department of Physics, University of Trento, 38100 Trento, Italy) ( ENEA CR Brasimone, 40032 Camugnano, Bologna, Italy). Acta Metallurgica Sinica(English Edition). 2001(06)
[7]Oxidation Resistance of the Aluminide Coating Formed on Carbon Steels[J]. H.M.Soliman; K.E.Mohamed; M.E.Abd El-Azim and F.H.Hammad(Metallurgy Dept., Atomic Energy Authority, Cairo, Egypt). Journal of Materials Science & Technology. 1997(05)
博士論文
[1]V-5Cr-5Ti表面V-Al/Al2O3阻氚涂層的制備及性能研究[D]. 彭雪星.中國工程物理研究院 2016
[2]α-Al2O3阻氚涂層材料中氫行為的理論研究[D]. 張桂凱.中國科學技術大學 2014
[3]固溶體及非晶合金近程序結構的模擬研究[D]. 張崇.大連理工大學 2014
[4]金屬表面與原子/分子相互作用的第一性原理計算研究[D]. 孫博.中國工程物理研究院 2009
碩士論文
[1]Ti2AlNb合金氧化行為的第一性原理研究[D]. 李悅.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[2]室溫熔鹽鍍鋁—氧化法制備鋁化物阻氘層技術研究[D]. 張桂凱.中國工程物理研究院 2010
[3]金屬鈦和金屬間化合物鈦鋁氧化的第一原理研究[D]. 劉士余.首都師范大學 2007
本文編號：2900114
【文章來源】：中國工程物理研究院北京市
【文章頁數(shù)】：105 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．２不同金屬和陶瓷材料的氚滲透率對比［２４〃５１??
熱浸鋁（ＨＤＡ）??ＨＤＡ是一種尚效的鋼鐵材料表面防腐蝕技術，能有效提尚鋼鐵材料的抗局??溫氧化和耐腐蝕性能。目前，工業(yè)上將ＨＤＡ技術用于鋼鐵材料制品的表面防護，??己較為成熟。德國卡爾斯魯厄研究中心（Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｚｅｎｔｒｕｍ?Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ，?ＦＺＫ）首先??將這一技術用于阻氚涂層的研究，開發(fā)了相應的ＨＤＡ工藝具體操作為，在??Ａｒ氣氛保護下，將不銹鋼基體浸入７００°Ｃ鋁熔融液體３０ｓ，然后在９５０？１０７５?°Ｃ??進行熱氧化處理。通過ＨＤＡ技術制備的阻氚涂層截面如圖１．４所示［５１］。３００－４５０?°Ｃ??測試溫度下，小樣品表面涂層的ＰＲＦ可達１５００？３１００，但工件表面涂層的ＰＲＦ??則遠低于此，僅為約１４０。??二??Ｆ８２Ｈ－ｍ〇ｄ．?－?；．．???，丨…＿??（ａ）７００°Ｃ熱浸鋁?３０ｓ；?（ｂ）ｌ〇４〇°Ｃ／０．５ｈ＋７５０°Ｃ／２ｈ?熱處理??圖１．４?ＨＤＡ技術制備涂層的截面形貌［５５］??Ｓｅｒｒａ等ｔ５２味用ＨＤＡ技術結合熱氧化處理，在ＭＡＮＥＴ?ＩＩ鋼表面制備涂層，??４７０°Ｃ時氘ＰＲＦ為?２６０，３００°Ｃ時為?１０００。Ｙａｏ等［５３］在ＭＡＮＥＴＩＩ鋼表面制備ＨＤＡ??涂層并比較涂層在氣相和液態(tài)Ｐｂ－１７Ｕ合金中的阻氫因子，在氣相環(huán)境中，５７３?Ｋ??時ＰＲＦ為６２０，６２３?Ｋ時為２６０；而在液態(tài)環(huán)境中ＰＲＦ急劇下降，５７３?Ｋ時為２４？２５，??６２３?Ｋ時為１２？３０。Ｋｏｎｙｓ［５１１認為在液態(tài)環(huán)境中ＰＲＦ急劇下降的原因是在液態(tài)金??屬的沖刷下，涂層表面形成了裂紋，從而為氫同位素的滲透提供了快速擴散通道。??６??
?合金元素對Ｖ合金表面鋁化物涂層形成影響的第一性原理研究???１．３．３包埋滲鋁（ＰＣ）??ＰＣ技術由法國的ＣＥＡ開發(fā)，典型的工藝分為兩個步驟［６２］：?１）采用ＦｅＡｌ??作為鋁源，氧化鋁為填充劑，氯化銨為活化劑，滲鋁過程在Ａｒ氣保護下于??６５０？８５０?°Ｃ進行；２）通過高溫氧化形成ＡＩ２Ｏ３膜。涂層的截面如圖１．５所示。該??技術工藝簡單，無需昂貴設備，涂層較厚且均勻，無氣孔，與基體結合良好，并??且能處理復雜形狀工件。因此，ＰＣ技術有望成為阻氚涂層工程化制備的候選技??術。??１????＇１??（ａ）７５０°Ｃ滲鋁?２ｈ／５００°ＣＭＯＣＶＤ?沉積?Ａｈ〇３２ｈ：?（ｂ）８５０°Ｃ滲鋁?４ｈ／８００°Ｃ氧化?１０ｈ??圖１．５?ＰＣ技術制備涂層的截面形貌風６２］??研究表明１６２］，采用ＰＣ技術在３１６Ｌ不銹鋼和ＤＩＮ１．４９１４鋼的樣品表面制備??涂層，如果外層Ａｂ〇３的膜厚能達到微米級，則涂層的阻氫因子可達１０３左右。??占勤等ｉ６３＞４１采用ＰＣ技術于７７０°Ｃ滲鋁，然后在７５０°Ｃ真空下進行氧化處理，在??３１６Ｌ不銹鋼表面制得了?ＦｅＡｌ／Ａｌ２０３復合涂層，其阻氫因子可達１０３？１０４。然而，??ＰＣ技術需采用氯化銨作為活化劑，容易造成基體材料的應力腐蝕１６２］。??１．３．４等離子體噴涂（ＰＳ）??ＰＳ是采用高溫等離子體將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并高速噴向??經過預處理的工件表面，從而在工件表面形成涂層的一種表面強化和改性技術。??意大利國家新技術、能源和環(huán)境委員會率先將此技術用于阻氚涂層的制備，其典??型的工藝為｜６１在惰性氣氛保護下，將Ａｒ粉末加熱到熔融或半熔融狀態(tài)并噴涂
【參考文獻】：
期刊論文
[1]我國聚變堆結構材料表面阻氚涂層的研究進展[J]. 張桂凱,向鑫,楊飛龍,賴新春,嚴有為,凌國平,陳長安,汪小琳. 核化學與放射化學. 2015(05)
[2]ITER計劃與聚變能發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 張一鳴,曾麗萍,沈欣媛,張利,丁亞清,肖成馨,康衛(wèi)紅,王海. 核聚變與等離子體物理. 2013(04)
[3]Al3Sc和Al3Zr金屬間化合物熱力學性質的第一性原理計算[J]. 張旭東,王紹青. 金屬學報. 2013(04)
[4]不銹鋼異型件表面阻氚層制備技術的研究進展[J]. 張桂凱,李炬,陳長安,竇三平. 機械工程材料. 2010(04)
[5]滲鋁-真空預氧化制備FeAl/Al2O3防氚滲透涂層性能[J]. 占勤,楊洪廣,趙崴巍,袁曉明. 材料熱處理學報. 2008(02)
[6]HOT DIPPING ALUMINIZED COATING AS HYDROGEN PERMEATION BARRIER[J]. Z. Y Yao, M. Chini, A. Aiello and G. Benamati (China Institute of Atomic Energy, P.O.Box 275-51, Beijing 1024l3, China) ( Department of Physics, University of Trento, 38100 Trento, Italy) ( ENEA CR Brasimone, 40032 Camugnano, Bologna, Italy). Acta Metallurgica Sinica(English Edition). 2001(06)
[7]Oxidation Resistance of the Aluminide Coating Formed on Carbon Steels[J]. H.M.Soliman; K.E.Mohamed; M.E.Abd El-Azim and F.H.Hammad(Metallurgy Dept., Atomic Energy Authority, Cairo, Egypt). Journal of Materials Science & Technology. 1997(05)
博士論文
[1]V-5Cr-5Ti表面V-Al/Al2O3阻氚涂層的制備及性能研究[D]. 彭雪星.中國工程物理研究院 2016
[2]α-Al2O3阻氚涂層材料中氫行為的理論研究[D]. 張桂凱.中國科學技術大學 2014
[3]固溶體及非晶合金近程序結構的模擬研究[D]. 張崇.大連理工大學 2014
[4]金屬表面與原子/分子相互作用的第一性原理計算研究[D]. 孫博.中國工程物理研究院 2009
碩士論文
[1]Ti2AlNb合金氧化行為的第一性原理研究[D]. 李悅.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[2]室溫熔鹽鍍鋁—氧化法制備鋁化物阻氘層技術研究[D]. 張桂凱.中國工程物理研究院 2010
[3]金屬鈦和金屬間化合物鈦鋁氧化的第一原理研究[D]. 劉士余.首都師范大學 2007
本文編號：2900114
本文鏈接：http://www.wukwdryxk.cn/shoufeilunwen/gckjbs/2900114.html
教材專著
