Cr2AlC 211 型MAX相薄膜的合成及抗辐照损伤特性

Nanolaminated tenary carbide Cr2AlC (211 MAX phases) is a new class of material with unusual combination of metallic and ceramic properties. It has an even better oxidation and corrosion assistance，a higher stability temperature as well as easily forming flims on various sunstrates, and there is a potential application in future reactor. The aims for this project are firstly to investigate formation of MAX phase films on some substrate with different kinds of materials at relative low deposition temperature and then experimentally model and ascertain irradiation damage under high temperature and high neutron dose. Using self-ion irradiation as well as synergistic effects of self-ions with hydrogen and helium, interaction between defects and helium and effects on the microstructure, mechanical and tribology behaviour for Cr2AlC,Ti2AlC and Ti3AlC2 materials will be investigated at different temperatures， in order to understood the damage tolerance under synergistic effects with high displacement damage and H and He.

纳米层状晶体结构的三元化合物Cr2AlC 是一种211型MAX 相材料，结合了陶瓷和金属材料特性，相对于Ti3SiC2、Ti3AlC2 M3AX2相材料，具有更好的高温氧化和腐蚀阻力、高温稳定性以及薄膜沉积特性，在未来反应堆材料中具有潜在的应用可能性。本项目在探索低温度条件下不同性质基体上溅射沉积Cr2AlC MAX相薄膜的基础上，提出对211相Cr2AlC薄膜材料在高温高通量中子辐照环境下的辐照损伤特性进行实验模拟研究。应用自辐照离子及与H, He的协同作用，比较研究Cr2AlC、Ti2AlC和Ti3AlC2材料在不同温度范围移位缺陷与氦和氢原子间的相互作用以及对材料微观结构和力学及摩擦学特性的影响，以了解该MAX 相材料在高温高通量中子辐照移位损伤及其嬗变产物氢、氦的协同作用下的抗辐照损伤特性，并对其应用性能进行评估。

纳米层状晶体三元化合物Cr2AlC和Ti2AlC 211型MAX 相材料，结合了陶瓷和金属材料特性，在未来反应堆材料中具有潜在的应用可能性。本项目使用射频磁控反应溅射法在相对低的沉积温度下制备了Cr2AlC和Ti2AlC单相薄膜。当沉积温度为480℃时，在Al2O3(0001)基底上得到高结晶度的纯相Cr2AlC；而在MgO(100)基体，可在615℃生长出致密的纯相Ti2AlC薄膜。用100 keV的He离子对上述薄膜样品进行了不同剂量的辐照，辐照对晶体造成损伤，并导致微观上缺陷的产生和相结构的变化。对于Cr2AlC，当剂量为5E15/cm2时已有62%的MAX相形成了γ- Cr2AlC 相（一种晶格结构中部分原子排列显得部分无序的(Cr,Al)2Cx晶体），在1E17/cm2时几乎全部转化成相。然而，该种损伤在750℃退火下就能完全恢复。而Ti2AlC薄膜辐照后衍射峰发生了明显的位移和增宽，但无TiC，Ti3AlC杂质相产生，这说明Ti2AlC晶体具有较强的耐He离子辐照能力。辐照样品的纳米压痕测量实验表明，辐照后其硬度和杨氏模量都随剂量发生了显著的增大，这是由于辐照导致的大量微观缺陷引起。然而，不同于Ti2AlC，Cr2AlC薄膜由于γ- Cr2AlC 相的形成，在1E16/cm2时硬度开始下降。使用700keV Si离子对辐照前后的Cr2AlC,Ti2AlC和Ti3AlC2进行了抗电化学腐蚀性能试验（H2SO4溶液）。辐照后Cr2AlC的耐腐蚀性稍有降低，但钝化区宽度增大，而Ti2AlC辐照后样品的电化学极化曲线发生了负移，但自腐蚀电流密度和维钝电流密度更低。对于Ti3AlC2辐照之后材料的抗腐蚀性能增强。.还对Ti3SiC2、Ti2AlC和Cr2AlC MAX相材料进行了高温辐照实验。高温辐照导致了Ti3SiC2 从α到β相的转变，同时也出现了少量的TiC分解相，即使在750℃下，辐照仍然产生了较为严重的损伤，并有非常扁平的He泡（退火只有在1000℃左右的高温下才能形成）产生。而室温辐照后的750℃退火能取得很好损伤恢复。对于Ti2AlC和Cr2AlC的高温辐照，温度越高He辐照对Ti2AlC和Cr2AlC造成的损伤越小，750℃时已有更好的辐照损伤修复能力. .在理论上，我们采用密度泛函理论（DFT）计算计算了He 在Cr2AlC中的存在和扩散行为.