金屬鈾的化學性質十分活潑,極易發生氧化腐蝕。本文采用磁過濾多弧離子鍍在金屬鈾表面制備Ti過渡層,然后采用非平衡磁控濺射離子鍍技術制備了Ti、TiN單層膜及Ti/TiN多層薄膜,以期改善基體的抗腐蝕性能。采用X射線衍射、極化曲線、鹽霧腐蝕試驗對鍍層的結構、表面形貌、抗腐蝕性能進行了分析。結果表明,采用磁控濺射在金屬鈾表面制備一層Ti/TiN多層膜后,多層膜界面較清晰,大量的界面可終止柱狀晶的生長,細化晶粒,提高鍍層的致密性,有效地改善了基體的抗腐蝕性能。

　　關鍵詞：貧鈾;非平衡磁控濺射;多層膜;腐蝕性能

　　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

　　基金項目: 中國工程物理研究發展基金項目(2009B0203019)

　　金屬鈾因其獨特的核性能而在核工業上具有廣泛的用途, 但其化學性質十分活潑, 極易發生氧化腐蝕[1] , 直接影響鈾部件的表面狀態、使用性能及壽命, 因而解決鈾的易腐蝕問題已成為其應用的關鍵工程技術之一。TiN 是一種硬質化合物, 分解溫度高, 化學穩定性好, 具有良好的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損性能[2-5] , 采用磁控濺射在金屬鈾表面沉積TiN薄膜, 可在一定程度上提高基體的抗腐蝕性能[6] 。但是單層TiN薄膜的應力較大, 膜層稍厚極易發生脫落。而Ti/TiN多層膜, 由于增加了韌性較好的Ti過渡層, 可以有效釋放應力, 協調變形, 而且多層膜中增加了大量的界面, 可細化晶粒, 使薄膜的孔隙率降低, 從而提高其致密性, 進一步改善基體的抗腐蝕性能。因此本文將采用非平衡磁控濺射技術在鈾材料表面制備Ti/TiN多層膜, 采用X 射線衍射(XRD)研究其物相結構, 并采用電化學腐蝕和鹽霧腐蝕實驗研究其抗腐蝕性能。

　　采用磁過濾多弧離子鍍+ 磁控濺射復合鍍技術在金屬鈾表面制備Ti/TiN多層膜, Ti、TiN薄膜的交替沉積抑制了晶粒在薄膜生長方向長大, 阻礙柱狀晶的生長, 提高了鍍層的致密性。采用非平衡磁控濺射技術在金屬鈾表面制備Ti/TiN多層膜后, 腐蝕電位明顯提高, 腐蝕電流降低。在5% 的Cl-溶液鹽霧腐蝕24h后, Ti、TiN單層膜表面出現開裂現象, 而Ti/TiN多層膜表面形貌完整, 具有較好的抗Cl-腐蝕能力。

參考文獻：
　　[1]科德芬克.鈾化學[M].北京:原子能出版社,1977:28-29
　　[2]Mori T,Fukuda S,Takemura Y.Surface and Coatings Tech-nology[J],2001,140:122-127
　　[3]Subramanian B,Ashok K,Jayachandran M.Applied SurfaceScience[J],2008,255:2133-2138
　　[4]張琦,陶濤,齊峰,等.真空科學與技術學報[J],2007,27(2):163-167
　　[5]陳暢子,孫鴻,吳艷蘋,等.真空科學與技術學報[J],2009,29(6):581-585
　　[6]Chang F C,LeryM,Huie R,et al.Surface and CoatingsTech-nology[J],1991,49:87-96
　　[7]Matthews A,Lefkow A R.Thin Solid Films[J],1985,126(3-4):283-291
　　[8]史新偉,邱萬奇,劉正義.中國表面工程[J],2006,19(1):43-46
　　[9]Huang Meidong,Lin Guoqiang,Zhao Yanhui.Surface andCoatings Technology[J],2003,176:109-114
　　[10]史新偉,李杏瑞,邱萬奇,等.真空科學與技術學報[J],2006,26(4):330-334
　　[11]Vera E,Wolf G K.Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research Section[J],1999,B148(1-4):917-925
　　[12]Hasuyama H,Shima Y,Baba K,et al.Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research Section[J],1997,B127-128:827-831
　　[13]Emmerich R,Enders B,Martin H.Surface and CoatingsTechnology[J],1997,89:47-51
　　[14]Peng R,Zhou H,Ning X S,et al.Materials Letters[J],2002,56:465-472