在液态金属冷却、磁约束核聚变堆中，液态金属流动会产生额外的电流并在高的磁场作用下产生一个相反方向的洛仑兹力而引起磁流体动力学(MHD)压降［1-2］。MHD 压降的主要危害是增大功率损耗，降低堆的运行效率，并且加大包层结构材料所受的应力［3］。理论上为了有效地降低 MHD 压降，必须增加液态金属与包层壁结构材料之间的接触电阻，目前世界上的主流研究结果表明，包层结构材料内壁涂敷电绝缘涂层是降低 MHD 压降的最有效方法［1-3］。实际应用中的电绝缘涂层的要求十分复杂，一些关键考虑条件如下:高的电阻率、与液态金属有好的相容性、良好的自愈合性能、能够形成复杂结构的涂层、与基体材料有很好的热匹配性、安全、成本低及中子辐照性能良好［4-5］。氧化物、氮化物和碳化物材料都在考虑范围之内。由于 Li2O 比其它大部分的氧化物都稳定［6］，因而，要选择化学稳定性更高的氧化物作电绝缘涂层材料时，可选的氧化物种类不多。氧化铝涂层具有稳定性好、耐高温、耐腐蚀、抗辐射、绝缘强度高、制备工艺成熟等优点而被广泛地应用。
氧化铝涂层制备的方法主要有物理气相沉积法、化学气相沉积法、等离子喷涂法、溶胶-凝胶法、渗铝+ 氧化法等。等离子喷涂法形成的涂层具有结合强度高、孔隙率低、涂层平整光滑、可精确控制厚度、涂层杂质含量少、喷涂过程对基体的热影响小等优点。本文利用大气等离子体喷涂工艺在 316L 不锈钢和一种新的低活化铁素体 /马氏体(RAFM)钢上制备氧化铝涂层，并分析研究其显微组织结构和电阻率等性能，为聚变堆液态锂铅包层电绝缘涂层材料的制备提供相关实验探索。
1 实验材料和方法
1. 1 实验材料、设备及参数基体材料为 316L 不锈钢和新 RAFM 钢，成分见表 1。喷涂材料为 Al2O3粉( ～ 60 μm)和 Ni/Al 合金粉( ～ 100μm)。喷涂设备为武汉材料保护研究所开发的 WPSⅡ型等离子喷涂设备，主气为 Ar，辅气为N2，送粉气为 H2。喷涂前基体先经过喷砂预处理，再经丙酮清洗，喷涂基本参数如表 2。喷涂样品大小为:316L 钢 50 mm × 70 mm × 5 mm;RAFM 钢 28 mm× 3 mm
1. 2 涂层性能测试
涂层表面和截面形貌观察用 Sirion 200 型场发射扫描电子显微镜;粉末和涂层的相结构分析用 X＇PertPRO 型 X 射线衍射仪;涂层的硬度测量用 DHV-1000型显微维氏硬度计;涂层结合强度测量的拉伸实验用WDW-3200 型微控电子万能试验机;涂层抗热震性实验加热炉为 5X-5-12 型电阻炉;热膨胀系数测量用Diamond DMA 动态热机械分析仪; 涂层的孔隙率测量用 Image-Pro Plus 图像分析软件;涂层电阻测量用EST121 型超高电阻、微电流测量仪。
2 实验结果与分析
2. 1 涂层形貌
2. 1. 1 表面形貌
等离子喷涂火焰温度极高，在两种钢基体上形成的氧化铝涂层表面都比较致密，在理想状态下，液态金属流动产生的电流会在极薄的粘性层内产生环流，而具有高电阻的粘性层会使总的 MHD 压降最低，不会在导电的堆壁上产生额外的电流通路［7］。经过更高倍数的电镜观察，也可以看到一些微小的缺陷，如图 1 所示。图 1(a)为涂层表面存在的未熔颗粒疏松组织，一些颗粒在喷涂火焰中未熔且在沉积过程中保留到涂层中，熔融或半熔融态粒子依次堆积互相搭接形成疏松组织。图 1(b)为涂层表面的裂纹及小的孔洞，这些裂纹及孔在涂层使用中受热循环、腐蚀、辐照等因素影响而降低涂层的可行性。当电流能通过这些缺陷流向导电结构壁时，会使 MHD 压降大大提高，而且产生 MHD 效应的不稳定性［7-9］。尽管如此，当裂缝足够小时，这些影响是在一个可以接受的范围内。
2. 1. 2 截面形貌
图 2 为 316L 钢上氧化铝涂层截面 SEM 形貌。图 2(a)中从左到右依次为镶嵌料、氧化铝陶瓷层、金
属粘结层和 316L 基体。陶瓷层和金属粘结层呈层状分布，它们是等离子喷涂时高速飞行地粒子撞击基体表面经层层叠加形成的。图 2(b) 为 Ni/Al 粘结层，由于金属的熔点较陶瓷的低，且金属粘结层直接与温度相对较低的基体直接接触，散热较快，形成的金属粘结层要比陶瓷层致密。图 2(c)为氧化铝陶瓷层，包括部分熔融区、熔融区、裂纹及孔。等离子喷涂过程中，喷涂粉末在高温火焰中由于位置及粒度不同，有些未熔，有些熔的比较完全，当它们撞击基体表面时由于冷却时间极短，容易保持原始状态，在涂层中形成熔融程度不同的区域。这些颗粒不能完全展平且难以填充到其它颗粒的孔隙中就形成孔。图 2(d)为陶瓷层和粘结层的结合处，它们之间的结合及粘结层与基体之间的结合都属于机械结合。图 3 为 RAFM 钢上氧化铝涂层截面 SEM 形貌，从图 3(a)中可以看出氧化铝层的形貌与 316L 钢上的一样，都包括熔融区、熔融区、裂纹及孔。图 3(b)中 RAFM 钢上的金属过渡层中存在较多的裂纹和孔，这些缺陷在冷热循环过程中能够释放热应力，有助于 RAFM 钢上涂层抗热震性的提高。
2. 2 涂层相结构氧化铝陶瓷晶型中只有 α 相稳定(在其熔点以下都是稳定的)，其它都是亚稳相。图 4 为氧化铝粉
末和涂层的 XRD 衍射图，Al2O3喷涂粉末为 α-Al2O3相(三方晶系)，经过等离子喷涂后，涂层相主要为α-Al2O3和 γ-Al2O3(立方晶系)，其中两个最强峰对应于γ-Al2O3，次强峰对应于α-Al2O3，说明在喷涂过程中存在着 α-Al2O3向 γ-Al2O3的转变。等离子喷涂过程是一种快速凝固过程，过冷的颗粒满足均匀成核条件，易形成亚稳相，γ-Al2O3临界成核自由能较低，易于形核长大，所以α-Al2O3
粉末未经熔融急冷后主要形成 γ-Al2O3亚稳相。Guo［10］等在研究 CLAM 钢基体上大气等离子喷涂方法喷涂氧化铝涂层与静态液态锂铅的相容性时发现，外层氧化铝层中的γ 相可能引起涂层腐蚀加快，此可以采取提高涂层中的α相、尽量减少 γ 相的方法来提高涂层与液态锂铅的相容性。
2. 3 涂层结合强度
涂层结合强度是涂层与基体表面之间的结合能力，以单位表面积的涂层剥落所需的力来表征，是涂层重要的力学性能。本实验采用对偶试样拉伸法来测量涂层的结合强度，测试示意图和对偶件的加工尺
寸图分别如图 5 和图 6 所示。分别采用与基体同质的材料作为拉伸对偶件，然后用粘结剂把对偶件与圆柱涂层试样(两种钢涂层试样尺寸均为 28 mm × 3 mm)的两端粘结，并固化。实验中必须保证涂层试样和对接试样的轴心吻合，然后利用万能拉伸试验机在两端均匀加载，直至断裂，记录此时的加载载荷，并利用公式计算结合强度:σb= 4F / πD2，其中σb为喷涂层的结合强度(MPa);F为涂层被拉断时加载载荷(N);D 为试样直径(mm)。对两种钢上涂层分别测量 3 个试样，然后求其平均值作为涂层的结合强度，实验结果如表 3。从中可以看到，RAFM 钢上氧化铝涂层的结合强度要高于316L 钢上的，原因在于 RAFM 钢 的热 膨胀系数比316L 钢的要低，且与氧化铝陶瓷更好地匹配。
2. 4 涂层抗热震性能
分别取两种钢涂层 3 个相同大小(316L 钢 23mm × 23 mm × 5 mm;RAFM 钢 28 mm × 3 mm) 的试样放入 800 ℃ 的热处理炉中恒温 10 min，然后取出迅速淬入室温水中，等试样完全冷却后自然晾干，观察涂层表面是否出宏观现裂纹或剥落，如果没有就作为一次热循环，然后再放入炉内，重复操作直至涂层表面出现上述现象时记录热循环次数，并求其平均值作为涂层抗热震性好坏的判据。实验前，将试样边缘及棱角打磨圆滑，防止产生应力集中而导致涂层过早破坏，提高实验准确性。实验结果如表 4。
从上述实验结果可以看出:RAFM 钢上涂层抗热震性良好，与基体的结合强度高，而 316L 钢上涂层的抗热震性一般，涂层与基体的结合强度低，二者相差比较大的原因在于 RAFM 钢的热膨胀系数比 316L钢的低得多，且与 Al2O3陶瓷更好地匹配，如图 7。Al2O3陶瓷、316L 钢、RAFM 钢三种材料的热膨胀系数测试条件相同，均用氩气保护防止氧化，升温速率为 10 ℃ /min，测试温度范围为室温到 600 ℃。进一步分析表明，新 RAFM 钢是用 W、V 等低活化元素取代原有的 Mo、Nb 等高活化元素，钢的活性低;而316L 钢中 Mo 等高活化元素含量高，钢活性较高，这图 7 Al2O3陶瓷、316L 钢、RAFM 钢热膨胀系数随温度的变化曲线是导致两种钢热膨胀系数差别的原因。316L 钢的热膨胀系数与 Al2O3陶瓷的差别较大，在制备过程中及冷热循环条件下都会引入温度变化，二者由于热膨胀失配可能会引起高的内应力，当内应力超过涂层结合强度时易导致涂层的剥落。涂层的热震失效本质为循环应力作用下的疲劳失效，并经历裂纹形成、扩展和最终的剥落三个过程。另外，对 316L 钢来说，第一次出现裂纹到第一次出现剥落只经历了两次热循环，原因在于氧化铝脆性大，界面结合状态差，裂纹成核后扩展速度快，即在出现裂纹不久便开始脱落。涂层的抗热震性好坏关系着涂层在温度变化环境下的使用寿命，必须要采取措施来提高其抗热震性，目前可以从降低涂层弹性模量和线膨胀系数、减缓应力分布等方面入手，具体措施主要有:加过渡层、形成梯度结构涂层、喷涂纳米结构涂层、在涂层中加入添加剂等。
2. 5 涂层硬度
等离子喷涂陶瓷涂层的硬度通常由材料本征硬度和涂层的致密度共同决定，且由于热喷涂涂层在形成时的急冷和高速撞击，涂层晶粒细化以及晶格产生畸变使涂层得到强化，因而涂层的硬度又比其本征硬度要高。试验中，氧化铝涂层截面取 8 个点进行测量并求其平均值为涂层的硬度值，实验结果如表 5 所示。两种钢基体上氧化铝涂层的硬度比较高，这是由于涂层的致密性比较好;在同一种钢基体上形成的涂层不同位置测量的硬度值有差异，这是由于孔隙多的地方测量的硬度值就低。
3 结论
1
)用等离子喷涂方法在 316L 和 RAFM 钢上制备的氧化铝电绝缘涂层的表层质量好;陶瓷层和金属粘结层呈层状分布，且陶瓷层包括部分熔融区、熔融区、裂纹及孔;
2)Al2O3喷涂粉末为 α-Al2O3相(三方晶系)，经过等离子喷涂后，涂层相主要为α-Al2O3和 γ-Al2O3(立方晶系)，发生了α-Al2O3向 γ-Al2O3的转变;
3)RAFM 钢和 316L 钢上氧化铝涂层的结合强度分别为 33. 7 和 27. 8 MPa，RAFM 钢上涂层的结合强度要高于 316L 钢上的，且 RAFM 钢上涂层抗热震性也比 316L 钢上的要好，其原因在于 RAFM 钢的热膨胀系数与氧化铝涂层更好地匹配;
4)两种钢基体上氧化铝涂层的致密性均较好，且 RAFM 钢上氧化铝层比 316L 钢上的孔隙率低，致密度高;
5) 两种钢基体上 Al2O3涂层的常温下电阻率均约 8. 0 × 1012Ω·cm，电阻率与涂层厚度的乘积约1. 6× 1011Ω·cm2，优于聚变堆初步设计要求。
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