铀表面Ti/TiN镀层结合性能的定量表征和分层失效机制

The high chemical activity of uranium restricts the deposition parameters of surface coating on itself and also directly affects the adhesion property of surface coating on uranium. Coating delamination is a key problem for the coating application on uranium. This project aims to investigate the quantitative characterization of interfacial adhesion properties of Ti/TiN coatings deposited on uranium by combining experimental tests, precise characterization and numerical simulations, and to build a numerical fracture model considering interfacial microstructure to investigate the delamination mechanism. Firstly, an in-situ buckling delamination test will be performed, and buckle morphology and interfacial crack dimensions will be measured and characterized by microstructural characterization technique, a numerical simulation method based on cohesive zone model will be developed to reproduce the experiments, and to obtain the adhesive strength and critical adhesive energy. Secondly, the microstructure features will be obtained by using focused ion beam technique, based on which a U-Ti/TiN microscale fracture model will be built by using the parameterized modelling method. The whole process of crack initiation and propagation will be predicted, and the driven mechanism of crack propagation will be analyzed. The influence of a series microscale effects on coating delamination and cracking will be evaluated. The results of this work will provide guidance for the optimal design of Ti/TiN coatings on uranium.

铀的高化学活性极大地限制了其表面镀层的制备条件，并直接影响了镀层与铀的结合性能。镀层分层失效是铀表面镀层研制和使用中急需解决的关键问题。本项目以铀-Ti/TiN镀层结构为研究对象，拟发展一套实验测试、微纳米表征与数值断裂模拟相结合的方法来定量评价镀层与基体的结合性能，并建立基于界面微结构的数值断裂模型来分析镀层分层失效的内在机制。首先，设计Ti/TiN镀层的原位屈曲分层实验，采用精细表征技术开展对屈曲形貌和界面裂纹的测量和表征，发展基于粘聚带模型的数值断裂模拟方法来还原实验现象，获得界面结合强度和结合能。其次，采用图像处理技术提取界面微结构信息，并采用参数化建模建立铀-Ti/TiN结构的微观断裂模型，预测不同载荷条件下镀层与界面微裂纹萌生、扩展至宏观裂纹形成的全过程，分析裂纹扩展的驱动机制，评价各种微结构因素对镀层分层、开裂的影响，为提高铀表面镀层的结合性能提供一定的理论依据和技术支撑。

铀的高化学活性极大地限制了其表面镀层的制备条件，并直接影响了镀层与铀的结合性能。镀层分层失效是铀表面镀层研制和使用中急需解决的关键问题。目前国际上还未形成普适性的方法来定量化测定膜基界面的结合性能。课题以铀-Ti/TiN复合镀层结构为研究对象，初步发展了一套实验测试、微纳米表征与数值断裂模拟相结合来定量评价镀层与基体的结合性能的方法，获得了镀层分层失效的内在力学机制，完成了项目的预定标的。.课题设计了原位单轴拉伸法和原位压缩法来诱导铀表面Ti/TiN镀层的界面分层开裂，获得规律性的开裂特征和准确的开裂尺寸，为数值计算提供了必要的数据；基于有限元计算软件开展二次程序开发，编制了预测膜层开裂和界面分层的二维和三维专用数值断裂模型，真实地还原了实验中观测到膜层的分层开裂过程，证明了数值模型的准确性和可行性，保证了对界面粘结性能计算的准确性；通过对膜层分层开裂的模拟，获得了膜基界面的界面粘结强度和界面临界能，同时获得了界面剪切应力是影响铀表面Ti/TiN镀层鼓包、剥落等失效的关键力学因素。.项目的创新之处：项目建立的定量评价铀表面镀层界面结合性能的方法，能够获得描述界面力学性能的本征量，该方法可突破传统划痕法对不同材料镀层之间或采用不同制备工艺的镀层之间难以开展准确评价的限制。相关研究成果已经在铀表面镀层的研制过程中获得应用，为提高铀表面镀层的结合性能提供了一定的理论依据和技术支撑，能够指导铀表面该类镀层体系的结构设计和结合性能优化。