(AlCrTaTiZr)N阻氚涂层制备及其表面氢同位素吸附

作     者：张建东 席晓翀 凌永生 曾繁荣 单卿 贾文宝 

作者机构：南京航空航天大学材料科学与技术学院 

出 版 物：《金属学报》 (Acta Metallurgica Sinica)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金青年基金项目No.12305305 中国博士后面上基金项目No.2023M731657 南京航空航天大学研究生科研与实践创新计划项目No.xcxjh202306204 

主　　题：磁控溅射 阻氚涂层 第一性原理 氚吸附 力学稳定性 

摘      要：在聚变堆中的氚增殖部位，阻氚涂层可以有效阻止氚向包层结构材料扩散，避免材料退化与氚资源的损失。然而，现有涂层（如α-Al2O3、Er2O3等）在辐照等极端环境下的性能受到挑战，高熵涂层被认为是有效的解决途径。本工作采用磁控溅射方法在不同N2流量条件下制备了（AlCrTaTiZr）Nx涂层，并借助XRD、SEM和EDS等手段研究了涂层的晶体结构、微观形貌以及元素含量。结果表明，当未通入N2时，溅射涂层为非晶态金属薄膜；通入N2后形成fcc结构的氮化物薄膜。当N2的流量比RN=15%时，涂层结晶效果最好，与硅基体紧密结合且致密性良好。在实验基础上构建并研究了涂层在服役条件下的氢同位素-表面相互作用问题。首先采用第一性原理并结合特殊准随机结构（SQS）构建了H2分子在（AlCrTaTiZr）N（001）面的吸附模型。随后，计算了不同位点和吸附方式的吸附能，并分析了不同H2覆盖度下稳定吸附对涂层力学性能的影响。结果表明，H2在涂层表面的吸附属于物理吸附。垂直吸附的Hollow位是最稳定的吸附位，且CrTaTiZr构成的Hollow位最为稳定。吸附后（AlCrTaTiZr）N涂层的体积模量B、剪切模量G、剪切模量E、Poisson比ν和B/G均略有下降，表明H2的吸附将导致涂层的强度、硬度以及延展性下降。