自2011年日本福岛核电站事故后,锆合金包壳的安全问题成为世界各国关注的焦点。锆合金燃料包壳存在着抗高温水蒸气氧化性能差,锆与高温水蒸气会发生剧烈反应,释放大量氢气和热量,造成严重的放射性物质泄漏。鉴于上述问题,事故容错燃料包壳材料（ATF）的研发是提高轻水堆（LWR）安全性的重要突破口。表面涂层技术由于工艺成熟,且与现有锆合金包壳生产设备和工艺相兼容,拥有较好的经济性和易于实现商业化优点,具备短中期内实现提高锆合金事故容错性能的潜力,已经成为事故容错燃料研究重点内容之一。本论文采用磁控溅射技术在锆合金表面制备Cr、FeCrAl涂层,研究了沉积工艺参数对涂层微观结构及相关性能的影响,并通过高压釜和水蒸气氧化装置,分别研究了涂层正常工况下的耐腐蚀性能和事故条件下的高温氧化性能,以及其相关内在机理。本文研究分为以下两个部分:1.厚Cr涂层的制备工艺及相关性能研究:利用高速磁控溅射技术制备了不同偏压下的厚Cr涂层,厚度约为27μm。该工艺制备的Cr涂层具有均匀致密、基底结合紧密以及具有疏水性特点。通过对比不同偏压下的Cr涂层的微观结构和力学性能,发现随着偏压的增加,Cr涂层（110）晶面成为了择优取向面。偏压为-50 V的Cr涂层具有最低的表面粗糙度和纳米硬度,同时纳米硬度和弹性模量误差分布最小,具有较为均一的微结构分布。通过1000℃空气氧化筛选实验得出,偏压为-50 V的Cr涂层具有良好的抗空气氧化性能。对该工艺下的Cr涂层采取了进一步的高温1200℃水蒸气氧化测试,结果表明偏压为-50 V的Cr涂层展示出优异的抗高温水蒸气氧化性能。分析显示,氧化层在水蒸气氧化初始阶段出现层状剥落,随后形成更致密的Cr₂O₃层,有效地阻止了氧的扩散。同时,低表面粗糙度有利于避免早期氧化过程中局部应力集中区域的出现,抑制脱粘区的形成,据此提出了Cr涂层的水蒸气氧化模型。此外,正常工况下的腐蚀性能实验（360℃,18.7 MPa,50 d）表明,-50 V的Cr涂层腐蚀后表面致密、无明显孔洞及裂纹,具备优异的耐高温水腐蚀性能。基于上述这些结果,磁控溅射技术制备的厚Cr涂层可作为耐事故燃料候选材料,用于提高Zr-4合金的抗高温水蒸气氧化性能。2.FeCrAl涂层的制备工艺及相关性能研究:利用磁控溅射技术的沉积温度和沉积偏压工艺,制备了不同工艺参数的FeCrAl涂层,并对其进行了微观结构和力学性能分析。所有FeCrAl涂层表面致密且均以体心立方Fe-Cr相结构存在。不同沉积温度下的FeCrAl涂层均具有亲水性表面,沉积温度的升高有利于FeCrAl涂层晶粒生长,且沉积温度为400℃时,FeCrAl涂层具有较低的平均表面硬度和弹性模量,同时分布范围也较窄。沉积偏压的引入导致表面粗糙度增加,但有利于FeCrAl涂层结合性能提升,随着沉积偏压的升高,涂层的择优取向晶面发生改变,同时偏压为-150 V的FeCrAl涂层纳米硬度误差分布最小,具有较为均一的微结构分布。通过1000℃高温水蒸气氧化实验表明,偏压为-150 V的FeCrAl涂层中Al元素向外迁移形成一层致密的氧化膜,有效阻止氧元素向内部的扩散,使涂层表现出优异的耐高温水蒸气氧化性能。但Fe和Cr元素在高温下向基底内部迁移形成扩散层,将导致涂层性能的退化。此外,高温水腐蚀实验（360℃,18.7 MPa,50 d）表明,偏压为-150 V的FeCrAl涂层最外层Al元素易在水腐蚀环境中形成Al O（OH）溶解,从而表面形成大量的Fe₂O₃颗粒,但下层形成了一层致密的Fe/Cr共混氧化物层,有效的阻止了氧进一步扩散,使涂层具有良好的耐高温腐蚀性能。基于以上实验结果,磁控溅射制备的FeCrAl涂层具有良好的高温氧化与腐蚀性能,涂层性能下降的主要原因是合金元素在高温下的严重扩散迁移和Al元素在水腐蚀环境中的溶解。