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2011年福岛核电站事故后,能够提高轻水堆安全裕量的事故容错材料受到关注并亟待开发。Zr(锆)合金作为商用轻水堆核燃料包壳材料有半个多世纪的历史,然而,一旦发生冷却剂缺乏事故,核包壳Zr合金在高温环境下易与水蒸汽发生锆水反应,释放出大量的热和氢气,引起爆炸。因此,开发事故容错材料以消除或避免Zr合金在高温水蒸汽下的氧化反应是十分必要的,具有重要的科学意义和重大的工程实际应用意义。本工作的目的是在Zr表面制备涂层以提高Zr的抗高温水蒸汽氧化能力。前人大多研究纯Cr金属涂层和Cr基二元合金晶态涂层对Zr合金在抗高温水蒸汽环境下的抗氧化能力,而极少关注多元晶态和非晶态涂层的抗高温水蒸汽氧化能力。从合金设计的角度来说,三元或更高元合金能够降低氧在合金内的溶解度,因此更利于保护性氧化层的生成。(1)采用磁控溅射方法在Zr基底上制备不同N含量(0-38.3 at.%)的CrAl-Si-(N)防护涂层。涂层厚度为~4μm和11.5μm。主要探究涂层的显微结构、机械性能和高温水蒸汽下的氧化行为。(2)随着N含量的增加,涂层的生长结构由致密柱状变为致密无特征形貌再变为疏松柱状。所有涂层的机械性能都好于未镀膜Zr片。涂层的硬度在10.2GPa到14.6 GPa之间,弹性模量在184 Gpa到228 GPa之间。(3)高温水蒸汽氧化实验条件为1000°C-15 min和1200°C-30 min。实验发现,Cr-Al-Si涂层(0 at.%N)和Cr-Al-Si-N涂层(28.6 at.%N)能够有效提高Zr的抗氧化能力。经历1200°C-30 min实验后,未镀膜Zr基底的氧化深度为100μm,然而4μm厚的Cr-Al-Si涂层(0 at.%N)和Cr-Al-Si-N涂层(28.6 at.%N)下Zr的氧化深度分别为42μm和8μm,11.5μm厚Cr-Al-Si-N涂层(28.6 at.%N)下Zr未发生氧化,仅涂层氧化5μm。结果表明,结构致密的涂层结构和有利于选择性氧化的元素组成有助于提高涂层的抗高温水蒸汽氧化性能。(4)四种沉积态涂层完全暴露出基底的载荷为33-49 N,说明四种涂层与Zr基底间有很好的结合力。另外,经历高温水蒸汽氧化后,有三种氧化态涂层与Zr基底间结合力有所增加,涂层完全暴露载荷超过50 N。结合力的提高很可能是因为涂层和基底元素的互扩散。基于涂层的抗氧化能力和机械性能,N含量为28.6 at.%的致密非晶Cr-Al-SiN涂层和致密柱状Cr-Al-Si涂层有作为核用Zr合金包壳耐失水事故表面防护涂层的应用潜力。