第十五届全国表面工程大会

FeCrAl合金具有耐腐蚀、抗辐照性、耐高温氧化性和抗应力腐蚀开裂等优异的性能，被认为是最有前途的事故燃料包壳材料之一。因为中子吸收截面大，FeCrAl包壳需要更薄才能满足中子经济性。在结构材料表面形成 FeCrAl 系合金薄膜，既能保持成熟应用材料的优良力学性能，又可以实现很好的中子经济性，但过薄的薄膜易在振荡、冲击、磨损、辐照等条件下出现破损剥落现象。因此本文通过掺杂N元素的方式提高FeCrAl薄膜的力学和耐辐照性能，采用磁控溅射技术在316奥氏体不锈钢表面制备N元素掺杂的FeCrAl薄膜。采用SEM、XRD、XPS、TEM等手段研究了氦离子辐照前后薄膜微观结构的演化，同时采用纳米压痕法和维氏压痕法评价了薄膜硬度和韧性。结果表明，随着N₂流量的增加，沉积态薄膜从BCC结构逐渐向非晶结构转变，N₂流量为12 sccm时，薄膜呈现完全非晶状态。此外，沉积态薄膜硬度先增大后减小，N₂流量为3 sccm时硬度最大为13.572 GPa。随着N₂流量的增加，观察到沉积态薄膜维氏压痕中纵向裂纹转变为周向裂纹，含N薄膜表现出较为优异的韧性。薄膜的抗辐照测试过程中，采用能量为60 keV，通量为3.0×10¹⁶ ions/cm²的氦离子辐照，薄膜表面出现氦泡肿胀，在峰值损伤区附近观察到明显的氦泡聚集现象。在N₂流量为3 sccm、6 sccm、9 sccm条件下制备的薄膜，其表面氦泡数量明显减少。同时发现辐照导致薄膜结晶程度增加，薄膜出现了晶化现象。此外，氦离子辐照后薄膜硬度明显下降，表现出典型的辐照软化现象，其中N₂流量0 sccm的薄膜硬度最小为2.380 GPa，N₂流量6 sccm的薄膜保持较高硬度为8.198 GPa。氦离子辐照后，所有薄膜维氏压痕中纵向裂纹消失，并且周向裂纹数量减少，保持了较优异的韧性。

FeCrAl，薄膜，氦离子辐照，硬度，韧性