寧波材料所在低溫非外延制備MAX相涂層方面取得進(jìn)展
Mn+1AXn相(MAX相)是一大類熱力學(xué)穩(wěn)定、具有密排六方結(jié)構(gòu)的層狀陶瓷材料。M代表前過渡金屬(如Ti、V、Cr等);A代表IIIA或IVA主族元素(如Al、Si等);X代表C或N。MAX相的獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)由密堆的M6X八面體層和A原子層交互迭排組成,這一結(jié)構(gòu)使其兼?zhèn)浣饘俸吞沾傻膬?yōu)良性能,如高導(dǎo)熱、可機(jī)械加工、高彈性模量、抗氧化、耐腐蝕、抗輻照損傷等。因此,該類材料在復(fù)雜苛刻的服役工況下具有良好的應(yīng)用前景。在事故容錯(cuò)燃料(ATF)系統(tǒng)的開發(fā)當(dāng)中,MAX相已被視作一種新型的候選核燃料包殼材料。該方面的技術(shù)需求,隨著2011年日本福島核電站爆炸事故的發(fā)生,而日顯迫切。
將MAX相PVD涂層涂覆在鋯合金包殼管外,提高其事故容錯(cuò)能力,是當(dāng)前ATF各類研究中的一種重要策略。在盡量不改變現(xiàn)有核電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提下,它可以利用成熟的鋯合金包殼管加工技術(shù),具有研發(fā)周期短、相對(duì)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。然而,該方法的實(shí)施受制于缺乏合適的PVD技術(shù)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量MAX相涂層的制備,尤其是低溫非外延制備技術(shù)。PVD的過程往往極端遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡態(tài),沉積原子的冷卻速度極快,因此通常導(dǎo)致難以形成晶體學(xué)上較為有序的結(jié)構(gòu);而對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、中間競爭相眾多的MAX相而言,PVD制備技術(shù)的困難則為更大。在國內(nèi)外過去15年的研究中,對(duì)于有重要核用前景的Ti2AlC和V2AlC體系,都是采用高溫外延或沉積后高溫退火技術(shù)制備MAX相涂層,研究集中于結(jié)構(gòu)表征或基本物性的測(cè)量,針對(duì)鋯合金防護(hù)應(yīng)用的基礎(chǔ)研究極少(圖1)。
近期,寧波材料所黃慶研究員團(tuán)隊(duì),運(yùn)用自主研發(fā)的高離子化磁控濺射技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)了低溫非外延制備晶態(tài)V2AlC和Ti2AlC涂層(圖2)。通過引入高束流低能離子輻照,首次在鋯合金、氧化硅、玻璃等基底上低溫(600°C)制備V2AlC和Ti2AlC晶態(tài)涂層(晶態(tài)成分含量>90%)。Mn+1AXn相晶粒在膜基界面處隨機(jī)成核,通過競爭性生長形成(110)擇優(yōu)取向的涂層(圖3)。通過利用核反應(yīng)過程中十分常見的嬗變?cè)豀e作為入射離子,并對(duì)輻照后樣品進(jìn)行微觀分析,發(fā)現(xiàn)He離子更易于在涂層/基體界面處聚集并且形成He泡。V2AlC涂層沿著生長方向具有特殊的梯度結(jié)構(gòu):在靠近基體表面附近的晶粒小,界面多,遠(yuǎn)離表面的區(qū)域晶粒逐漸變大,這種梯度結(jié)構(gòu)分布可防止He泡的過度聚集、長大(圖4)。通過“低溫非外延一步法”,可擺脫晶態(tài)Mn+1AXn相涂層對(duì)單晶外延基底和高溫工藝的依賴,促進(jìn)了Mn+1AXn相涂層在鋯合金包殼管上的實(shí)際應(yīng)用。輻照損傷研究則為鋯合金包殼管表面防護(hù)涂層的開發(fā)提供了最直接的參考數(shù)據(jù)。
本項(xiàng)目受到國家自然科學(xué)基金(91226202、91426304)和中科院先導(dǎo)專項(xiàng)(XDA 02040105、XDA03010305)的資助;相關(guān)結(jié)果發(fā)表在涂層領(lǐng)域的主流材料期刊Scripta Materialia和Vacuum上(Scripta Materialia 137 (2017) 13-17, Vacuum 146 (2017) 106-110)。
圖1 MAX相晶體結(jié)構(gòu)和MAX涂層的制備溫度-晶相純度關(guān)系
圖2 經(jīng)低溫非外延制備MAX相涂層后的樣品
圖3 非外延生長晶態(tài)V2AlC涂層的微結(jié)構(gòu)演變過程
圖4 經(jīng)過不同劑量輻照后的涂層-基底微結(jié)構(gòu)圖 (a) 2×
;(b) 5×
?。S慶研究員團(tuán)隊(duì) 葛芳芳 王霽)