中国工程物理研究院联合上海交大揭示贫铀表面Ti/TiN涂层的氢化损伤行为机制

2026-05-08 15:31:05 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

贫铀（DU）具有优异的机械和物理性能，在核工业领域有广泛应用。然而，其固有的高化学反应活性使其极易在富氢环境中发生氢腐蚀，形成氢化铀，导致材料分解甚至粉化，严重威胁其性能和操作安全。

应用氢阻挡涂层是抑制氢腐蚀的有效方法。其中，多层金属/陶瓷涂层（如Ti/TiN涂层）已被证实可有效保护多种金属基底，但其与微观结构相关的氢化损伤行为和机理尚不清楚。

来自中国工程物理研究院和上海交通大学的研究人员旨在通过将Ti/TiN涂层制备在贫铀表面，并在不同氢气压力下进行气态氢化处理，系统研究Ti/TiN涂层的微观结构和力学性能。

通过结合精细的裂纹特征分析、第一性原理密度泛函理论（DFT）计算和断裂力学，揭示并阐明Ti/TiN涂层在氢化作用下的结构损伤机制和内部裂纹形成途径，以期为金属/陶瓷多层涂层的氢化损伤行为提供关键见解，并对铀及其合金的氢腐蚀防护提供指导。相关成果已于近期发表在Corrosion Science期刊上。

样品制备：

采用阴极电弧离子镀方法在贫铀基底上制备Ti/TiN多层涂层。涂层总厚度约3 μm，包含6层Ti和6层TiN，最上层为Ti。制备前对贫铀表面进行抛光清洗，并沉积一层约400 nm的Ti种子层以减少界面应力。

制备态Ti/TiN涂层的表面和截面微观结构

制备态Ti/TiN涂层的横截面高角度环形暗场透射电子显微镜结果

Ti种子层/贫铀基底界面结构的透射电子显微镜结果

氢化处理：

在100 °C下，分别于10 kPa、20 kPa和30 kPa的氢气压力中对涂层进行24小时的氢化处理。

Ti/TiN涂层氢化处理前后的X射线衍射图谱

氢化处理后Ti/TiN涂层的表面和截面扫描电子显微镜形貌

Ti/TiN涂层在30 kPa氢化处理后的高密度裂纹形貌

20 kPa氢化处理下Ti/TiN涂层中不连续裂纹的透射电子显微镜表征

20 kPa氢化处理下Ti/TiN涂层中第一和第六层Ti层的透射电子显微镜表征

20 kPa氢化处理下Ti/TiN涂层中第一和第五层TiN层的透射电子显微镜表征

20 kPa氢化处理下Ti种子层的透射电子显微镜表征

Ti/TiN涂层结构损伤机理示意图

研究结论：

氢化产物：

氢化处理后，Ti层通过Ti-H化学反应逐渐转变为面心四方（FCT）结构的ε-TiH₂氢化物，而TiN层未检测到氢化物。即使在30 kPa的最高氢压下，也未检测到铀氢化物，证明了涂层/贫铀界面有效的氢阻挡能力。

损伤演化：

在20 kPa氢压下，涂层内部出现不连续分布的微裂纹，这些裂纹主要存在于TiN层内，仅部分延伸至Ti层而未贯穿。在30 kPa氢压下，涂层结构严重损坏，出现高密度的连续裂纹。

性能退化：

裂纹的形成显著降低了涂层的力学性能。与原始涂层（硬度~8 GPa，模量~215 GPa）相比，在30 kPa氢化后，涂层硬度和模量分别急剧下降至约5 GPa和109 GPa。

损伤机理：

氢陷阱与裂纹萌生：Ti/TiN界面的失配位错是氢的深陷阱位点。涂层内的拉应力与界面处聚集的氢协同作用，促进了裂纹在界面处萌生，并沿垂直于表面的方向扩展。
裂纹扩展路径：基于断裂力学和临界应力强度因子（K_IC）比较，揭示了裂纹扩展的竞争机制。TiN的K_IC低于Ti，而ε-TiH₂的K_IC最低。因此，裂纹倾向于在K_IC较低的TiN层中扩展，或在Ti层中的ε-TiH₂区域扩展，但当遇到K_IC较高的Ti基体时会被抑制。在20 kPa下，ε-TiH₂不连续，裂纹在Ti层中被Ti基体阻止；在30 kPa下，ε-TiH₂趋于饱和，裂纹得以在Ti/TiN涂层中形成连续通路。

界面双重作用：

Ti/TiN界面在氢阻挡和氢致开裂中扮演双重角色。一方面，界面可作为氢陷阱抑制氢向基体扩散；另一方面，界面处积累的氢和高内应力协同作用，加速了氢致开裂。

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