学院新闻

开发能够适用于第四代先进裂变核反应堆和未来聚变反应堆的高温、强辐照、强腐蚀等极端服役环境的结构材料是当前金属材料研究热点之一。氧化物弥散强化（ODS）钢具有优异的高温机械性能和良好的耐中子辐照性能，被认为是高温裂变核反应堆和聚变反应堆最有前途的候选包壳材料之一。为了追求更高的事故容限和更高的热效率，如超高温气冷堆（VHTR）、铅冷却快堆（LFR）等对包壳材料提出了更为苛刻的要求。表面涂层是提高金属材料表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性的重要手段，被认为有望解决提高包壳材料的综合服役性能。近年来，各国研究者广泛报道了利用各种沉积、热扩散以及熔覆等技术在包壳材料上制备金属涂层、陶瓷涂层提高材料服役性能。金属铬涂层被证实有优异的耐高温蒸汽氧化、耐腐蚀和耐辐射性能，是理想的包壳材料涂层之一；氮化物涂层如AlN具有很好的导热率和耐磨性，也被认为是先进高温反应堆的理想涂层材料之一。金属涂层韧性好陶瓷涂层耐摩擦性优异，在金属材料表面制备金属-陶瓷复合涂层一直是研究者努力的方向。

针对上述问题，团队和中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室、重庆理工大学以及加拿大女王大学核材料组等单位合作，利用包埋渗的方法成功在铁铬铝基ODS钢表面制备出Cr-AlN金属-陶瓷复合涂层。图1a给出了表面处理后样品的实物图，外层白亮区域为复合涂层，厚度约为450μm。高倍BSEI图像线上涂层由外层富Cr层（厚度约为26μm）和内层AlN弥散增强Cr基体构成，见图2。硬度和摩擦磨损实验结果表明：Cr-AlN金属陶瓷复合涂层的引入大大提高了铁铬铝ODS钢的表面硬度和耐磨性能，见图3。相关研究结果以：“Microstructure and properties of Cr-AlN composite coating prepared by pack-cementation on the surface of Al-containing ODS steel”为题发表在表面处理与涂层领域TOP类期刊《Surface & Coatings Technology》上，西南大学为该论文的第一完成单位，硕士研究生侯祥为该论文第一作者，核动力院王浩研究员和团队郭宁副教授为论文的共同通讯作者，陈艳霞、宋波等老师参与了部分工作。

图1 表面涂层处理后铁铬铝ODS钢实物图（a）和XRD检测位置示意图（b）

图2 表面涂层处理后铁铬铝ODS钢的BSEI图像：（a）显示涂层和基材的横截面图；（b） （b）、（c）和（d）对应于（a）中的白框的高倍率图像

图3（a）表面涂层处理后铁铬铝ODS钢截面显微硬度（b）磨痕形貌和3D激光扫描图像

该项目得到中国核工业集团公司青年人才科学研究计划（K301007022）、重庆研究生研究与创新项目（CYS22205）和中央高校基本业务费（SWU 119017、X202110635157）资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128842