高熵合金氧化物复合涂层抗铅铋腐蚀机理研究

The damage caused by high temperature liquid lead-bismuth corrosion is the main attack for the critical components such as cladding tubes or pump blades in the lead-based reactors, and traditional protective coatings of the critical components cannot meet the long life and reliable operation requirements. Therefore, the development of a new lead-bismuth resistant coating is of great significances. As a new coating developed in recent years, high entropy alloy coatings show great application potential in anti-lead-bismuth corrosion due to its superior irradiation and corrosion resistance. In this project, a new composite coating of high entropy alloy oxides is applied as a protective coating in liquid lead-bismuth, and the effects of different deposition parameters on its microstructure and mechanical properties will be investigated, systematically. Based on neutron diffraction technology and high-resolution transmission electron microscope, the coatings’ fine structure, stress state, grain orientation, micro defects before and after annealing /irradiation treatment and the oxidation law will be studied. The metallurgical diffusion mechanism at the lead-bismuth corrosion interface between high entropy alloy oxides coatings and the liquid lead-bismuth were also studied, and the internal influence mechanism of high temperature liquid lead-bismuth corrosion resistance and the structure of high entropy alloy oxides coatings will also be revealed. It will provide a solid scientific basis for the development of new liquid lead-bismuth corrosion resistant coatings.

高温液态铅铋合金腐蚀破坏是铅基堆包壳管及泵叶等核心部件的主要损伤形式，现有抗铅铋腐蚀涂层不能较好满足关键部件长寿命高可靠运行的需要，新型抗铅铋腐蚀涂层材料开发具有重要研究价值。高熵合金是近年发展的新型涂层材料，具有优异的抗辐照损伤和抗腐蚀性能，在抗铅铋腐蚀中具有良好的应用潜力。本项目将新型高熵合金氧化物复合涂层应用到抗铅铋腐蚀中并系统研究不同沉积参数对涂层的微结构和力学性能的影响规律。结合中子衍射技术和高分辨透射电镜等测试手段，获取不同退火和辐照前后涂层的精细相结构、晶粒取向、微观缺陷及氧化规律，探索高熵合金氧化物涂层高温铅铋腐蚀界面的冶金扩散机理，获取高熵合金氧化物涂层抗铅铋腐蚀性能和微结构的内在影响机制。为新型抗铅铋腐蚀涂层材料的开发提供科学依据。

高温液态铅铋合金腐蚀破坏是铅基堆包壳管及泵叶等核心部件的主要损伤形式，现有抗铅铋腐蚀涂层不能较好满足关键部件长寿命高可靠运行的需要，新型抗铅铋腐蚀涂层材料开发具有重要研究价值。高熵合金是近年发展的新型涂层材料，具有优异的抗辐照损伤和抗腐蚀性能，在抗铅铋腐蚀中具有良好的应用潜力。本项目采用电弧放电和磁控溅射技术合成系列的高熵复合涂层材料，利用SEM、TEM、XPS、XRD、纳米压痕技术和摩擦磨损仪等对涂层的力学性能、耐磨性能、热稳定性能、抗氧化性能、耐腐蚀性能及抗辐照性能进行了系统研究。结果表明，(AlCrNbSiTi)N高熵复合涂层具有面心立方（FCC）晶体结构，并呈现出柱状晶生长模式。柱状晶中呈现纳米复合结构，其中Si3N4在模板效应的作用下呈现结晶态并与周围(AlCrNbTi)N纳米晶粒形成共格界面并协调相邻晶粒的取向差，这种nc-(AlCrNbTi)N/c- Si3N4纳米复合结构提升了涂层的硬度，在-150V下涂层硬度达到39.8 GPa。涂层具有优异的韧性和耐磨性能，其H3/E2比值高达0.331GPa，与Si3N4对磨时磨磨损率为0.396×10-9 mm3N-1•m。涂层具有优异耐高温性能，其相结构可在高达1000℃的真空中保持稳定，在1000℃的空气氧化2 h后涂层氧化层厚度仅为212 nm。涂层具有优异的晶粒尺寸热稳定性，在1100℃的真空中及1000℃的空气中仍能保持其纳米晶结构而不发生晶粒粗化，这一特性使得涂层在1100℃的高温下仍具有28 GPa的高硬度。氧的掺杂使高熵合金非晶化，当氧含量充足时将形成全部非晶结构的高熵涂层，氧化物硬度为13 GPa左右，硬度低于氮化物，但其具有更好的耐磨性能和高温热稳定性，其磨损率为0.14×10-9mm3N-1•m，仅为氮化物涂层的三分之一。涂层具有良好的耐盐雾腐蚀性能，在3.5 wt%的NaCl溶液中其电阻值高达4.25×10-6Ω。涂层抗辐照性能优异，在1x1017 ion/cm2辐照剂量后仅出现厚度约4 nm的非晶层。辐照后涂层硬度略有下降，但可以保持28Gpa的高硬度。经铅铋腐蚀实验表明，AlCrNbSiTiN高熵复合涂层在550℃的液态铅铋中腐蚀600小时后涂层截面仍保持完好致密，没有发现明显的裂纹、分层等缺陷。涂层表面形成了厚度约200nm的氧化层，涂层中未渗入铅铋，具有优异的抗铅铋腐蚀性能。