高含量α-Al2O3阻氚涂层低温制备过程中稳态相择优形成规律的研究

鉴于α-Al2O3涂层对于改善聚变堆结构材料阻氚渗透性具有显著作用，本项目采用离子渗铝后离子氧化的复合处理方法低温条件下在不锈钢表面制备高含量的α-Al2O3涂层。重点研究渗铝层的微晶或纳米晶化、添加合金元素以及离子轰击形成的晶体缺陷等因素及多因素耦合作用下对稳态相α-Al2O3择优形成的影响规律，探索其作用机制，以期实现低温条件下（低于600℃）制备高含量α-Al2O3（不低于80％）涂层。本项研究在低温氧化和防护涂层领域具有重要的理论意义和应用价值。

在316L不锈钢表面低温制备高含量的α-Al2O3防氚渗透涂层是国际上公认的储氚问题解决方案，既可保证材料结构性能，同时抑制氚渗透。本课题首先采用磁控溅射方法和微弧氧化技术制备氧化铝涂层，研究发现：添加合金元素Y或α-Al2O3籽晶均对α-Al2O3涂层的形成具有促进作用，然而α-Al2O3的形成温度均较高（800℃）且涂层厚度较薄。其次，采用双辉等离子技术研究在多因素耦合作用下α-Al2O3的形成规律，揭示其作用机制。结果表明：在580℃下成功得到了α-Al2O3相对含量达65.54%的涂层，与纯铝涂层同条件氧化结果相比，α-Al2O3相含量增加10.34%。通过XPS，HRTEM等测试手段进一步研究，首次发现在α-Al2O3籽晶和离子轰击的耦合作用下，在316L不锈钢表面为致密的纯α-Al2O3涂层，形成了结合力强的SS/FeAl/( Al2O3 + Fe2O3)/Al2O3结构涂层。再次，研究了离子轰击对Fe-Al涂层扩散及氧化机理的影响，结果发现，在离子轰击的作用下，涂层中形成大量的纳米晶和晶体缺陷，从而使得Fe和Al元素是通过短路扩散的进行的，所以涂层的扩散速度快。同时，在等离子氧化时，由于缺陷消失会释放能量，从而使得α-Al2O3的转变温度降低了。该项目揭示了添加元素及离子轰击对α-Al2O3择优生长机理，实现了低温580℃制备高含量强结合力的α-Al2O3涂层，项目的研究成果对于α-Al2O3涂层的低温制备和防氚涂层的设计与制备具有重要的理论意义和应用价值。