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聚变堆中,在钢结构表面制备阻氚涂层是实现大幅降低氚通过渗透进入或渗出结构部件、维持聚变堆氚燃料自持循环、降低氚对材料损伤及人员与环境的放射性危害等诸多不利因素的重要有效途径之一。由Fe-Al合金层作为过渡层、Al2O3膜作为外层而组成的Fe-Al/Al2O3阻氚涂层是中国、欧盟和印度公认的较优阻氚涂层之一。Al2O3膜是决定Fe-Al/Al2O3阻氚涂层最终服役行为的关键所在,然而大多研究形成的Al2O3膜为γ相,而非阻氚效果最好的α相,因而服役寿命短。热氧化作为Fe-Al/Al2O3阻氚涂层中Al2O3膜形成的关键步骤,但其制备工艺及机制尚不明确。因此,通过21-6-9不锈钢表面Fe-Al层在不同氧分压、氧化时间下的氧化行为及阻氘性能研究,获得了高性能α-Al2O3膜形成机制及工艺,为Fe-Al/Al2O3阻氚涂层工艺调控提供了指导,丰富了 Fe-Al合金抗氧化腐蚀领域研究成果。论文主要成果有:(1)采用“电镀-热处理”法在21-6-9不锈钢表面形成了成分渐变、具有双层结构、冶金结合的Fe-Al层。Fe-Al层以FeAl2为主,其较高的铝含量有利于铝的选择性氧化,为后续氧化行为研究奠定了基础。(2)获得了不同氧分压下Fe-Al层的氧化膜相结构变化规律。在980℃、1h氧化时间下,氧分压为100 Pa～1 kPa时,Fe-Al层表面形成了结合牢固、致密、无孔洞的Al2O3膜;当氧分压过高(10kPa～20kPa),发生过氧化,生成铁、铝混合氧化物膜;当在较低氧分压下(1Pa～100Pa),则能够生成致密、无孔洞的γ-Al2O3膜,但其后期不易向α-Al2O3转变。(3)获得了不同氧化时间下Fe-Al层的氧化行为。在980℃、1kPa氧分压下,Fe-Al 层氧化动力学曲线具有典型的氧化动力学曲线特征,分为直线、混合和抛物线三个氧化阶段。在氧化直线阶段,Cr作为形核剂,参与氧化膜形成,表面Cr与Al同时氧化生成Cr2O3与Al2O3,之后在混合氧化阶段Al原子逐渐替代Cr原子形成(AlxCr(1-x))2O3,直到全部转化为y-Al2O3,随着氧化时间的增长,在抛物线氧化阶段γ相逐渐转变为α相。氧化180 min后,表面氧化膜由致密α-Al2O3相构成。(4)Fe-Al层氧化铝膜生长机制遵循岛状生长模型(Volmer-Webermodel),即氧化初期以岛状原子团形式成核,之后原子团聚集横向生长铺满整个表面,最后在纵向缓慢生长,从而生成致密氧化膜。(5)获得了 Fe-Al/Al2O3阻氚涂层的阻氘渗透性能随氧化铝膜相结构的变化规律。在980℃、1 kPa氧分压下,随氧化时间增长,表面Al2O3膜的相结构由α+γ混合相转为α相,涂层氘渗透率降低因子(氘PRF)随之显著升高,在450～650℃下的氘PRF为2～3个数量级。