铀表面非平衡磁控溅射离子镀Ti基薄膜的组织结构与腐蚀性能

　　金属铀的化学性质十分活泼,极易发生氧化腐蚀。本文采用磁过滤多弧离子镀在金属铀表面制备Ti过渡层,然后采用非平衡磁控溅射离子镀技术制备了Ti、TiN单层膜及Ti/TiN多层薄膜,以期改善基体的抗腐蚀性能。采用X射线衍射、极化曲线、盐雾腐蚀试验对镀层的结构、表面形貌、抗腐蚀性能进行了分析。结果表明,采用磁控溅射在金属铀表面制备一层Ti/TiN多层膜后,多层膜界面较清晰,大量的界面可终止柱状晶的生长,细化晶粒,提高镀层的致密性,有效地改善了基体的抗腐蚀性能。

　　关键词：贫铀;非平衡磁控溅射;多层膜;腐蚀性能

　　Abstract: The Ti-based protection coatings,including Ti,TiN,and Ti/TiN multi-layers,were deposited by unbalanced magnetron sputtering ion plating on the depleted uranium substrate pre-deposited with Ti buffer layers grown by filter cathode multiarc plating.The microstructures and electrochemical properties of the Ti-based protection coatings were characterized with X-ray diffraction,scanning electron microscopy and electrochemical probes.The preliminary results show that the Ti/TiN multilayer outperforms the films of pure Ti and TiN in the enhancement of the surface corrosion resistance and surface oxidation resistance of the depleted uranium,possibly because the well-defined sharp interfaces of the Ti/TiN multilayer curb the growth of columnar grains and the spreading of cracks.

　　Keywords: Delepted uranium,Unbalanced magnetron sputtering,Multilayer film,Corrosion resistance

　　基金项目: 中国工程物理研究发展基金项目(2009B0203019)

　　金属铀因其独特的核性能而在核工业上具有广泛的用途, 但其化学性质十分活泼, 极易发生氧化腐蚀[1] , 直接影响铀部件的表面状态、使用性能及寿命, 因而解决铀的易腐蚀问题已成为其应用的关键工程技术之一。TiN 是一种硬质化合物, 分解温度高, 化学稳定性好, 具有良好的耐高温、耐腐蚀、耐磨损性能[2-5] , 采用磁控溅射在金属铀表面沉积TiN薄膜, 可在一定程度上提高基体的抗腐蚀性能[6] 。但是单层TiN薄膜的应力较大, 膜层稍厚极易发生脱落。而Ti/TiN多层膜, 由于增加了韧性较好的Ti过渡层, 可以有效释放应力, 协调变形, 而且多层膜中增加了大量的界面, 可细化晶粒, 使薄膜的孔隙率降低, 从而提高其致密性, 进一步改善基体的抗腐蚀性能。因此本文将采用非平衡磁控溅射技术在铀材料表面制备Ti/TiN多层膜, 采用X 射线衍射(XRD)研究其物相结构, 并采用电化学腐蚀和盐雾腐蚀实验研究其抗腐蚀性能。

　　采用磁过滤多弧离子镀+ 磁控溅射复合镀技术在金属铀表面制备Ti/TiN多层膜, Ti、TiN薄膜的交替沉积抑制了晶粒在薄膜生长方向长大, 阻碍柱状晶的生长, 提高了镀层的致密性。采用非平衡磁控溅射技术在金属铀表面制备Ti/TiN多层膜后, 腐蚀电位明显提高, 腐蚀电流降低。在5% 的Cl-溶液盐雾腐蚀24h后, Ti、TiN单层膜表面出现开裂现象, 而Ti/TiN多层膜表面形貌完整, 具有较好的抗Cl-腐蚀能力。

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