[發明專利]一種Al2

有效

• 申請號: 202011448368.6
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112782014B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 劉澤;唐琳;余松科
• 申請（專利權）人: 成都大學
• 主分類號: G01N3/42
• 分類號: G01N3/42
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 韓岳

本發明屬于實驗聚變堆中阻氚涂層系統的技術領域，特別涉及一種Al₂O₃/316L不銹鋼阻氚系統納米壓痕的有限元模擬方法。本發明專利基于Ansys workbench軟件，將聚變堆阻氚系統在納米壓痕實驗過程中的力學行為進行了仿真模擬。通過該方法獲得了加載位移與殘余深度率的關系、Al₂O₃涂層系統加載卸載過程應力和應變的分布云圖，這些結果可以作為實驗微觀力學的有效補充。除此之外，此方法對涂層表面粗糙形貌進行了簡化，有效地規避了因涂層粗糙度與Berkovich壓頭摩擦造成的測量誤差，為提升納米壓痕實驗結果精度提供理論指導。本方法設計思路清晰，方便技術人員掌握和使用。

技術領域

本發明屬于實驗聚變堆中阻氚涂層系統的技術領域，特別涉及一種Al₂O₃/316L不銹鋼阻氚系統納米壓痕的有限元模擬方法。

背景技術

受控核聚變經過幾十年的不懈努力，實驗聚變堆目前已處于建設階段。并且，隨著磁約束國際熱核聚變堆(International ThermonuclearExperimental Reactor，ITER)計劃的實施和發展，研究滿足ITER及未來先進聚變堆要求的阻氚涂層是當前聚變堆相關研究中的熱點和難點之一，其性能是決定聚變堆能否實現安全運行的關鍵。

聚變堆氚增值包層內增殖產生的氚極易通過包層結構材料向外滲透。這不但會造成氚的流失，引起放射性污染，還將引發包層結構材料發生脆化、腫脹，給聚變反應堆帶來災難性的后果。研究表明，為了阻止氚的滲透，同時保持結構材料的整體性能，最有效的方法即在結構材料表面沉積陶瓷阻氚涂層。由于Al₂O₃具有良好的阻氚滲透率，優異的耐腐蝕性和熱穩定性，被認為是有希望的阻氚涂層候選材料之一。同時，316L不銹鋼在眾多鋼結構中具有氚滲透率低、強度高、塑性好等優勢。因此，以316L不銹鋼為基體，在其表面沉積Al₂O₃作為阻氚涂層系統是目前研究的重點。

納米壓痕技術是基于傳統的壓痕測試基礎上發展而來的，用于測量材料硬度和彈性模量等一系列力學性能的有效方法。該技術使用具有標準形狀的壓頭對樣品表面進行力或位移的加載，通過移傳感器記錄加載過程中的位移和力的大小，進而獲得材料彈性模量和硬度等性能指標。納米壓痕技術不需要測量壓痕面積，直接從載荷—位移曲線得到被測材料的力學性能。通過納米壓痕實驗研究阻氚涂層系統力學性能，是目前微觀力學研究的熱點。

然而，通過納米壓痕測試也存在著一些缺點，例如：對于涂層厚度為微米級別的薄膜，由于涂層尺度較小，在納米壓痕加載、卸載階段，涂層中的應力、應變演化過程無法直觀顯示。壓頭卸載完成后，涂層的塑性變形量也無法定量得到。阻氚涂層系統中應力、應變的演化過程和涂層形變量對后期測量得到的硬度和彈性模量等參數將會產生直接影響。除此之外，由于薄膜制備過程中工藝的限制，無法對薄膜表面粗糙度進行有效控制。在納米壓痕實驗中，粗糙的基底表面與Berkovich壓頭之間的額外摩擦，會進一步影響實驗結果。因此，研究Al₂O₃/316L不銹鋼阻氚系統納米壓痕實驗中的力學演變過程，以及規避基底表面粗糙度的影響，對提高實驗準確性、揭示涂層力學性能變化規律有著重要作用。由于納米壓痕實驗的差異性、復雜性和精密性，通過實驗方法研究整個納米壓痕實驗力學演變過程目前仍存在巨大挑戰。

與此相對，在與材料和機械領域有關的力學問題上，采用有限元模擬方法，可以有效縮短實驗時間、提高工作效率、節約實驗費用，為后期的研發提供理論基礎及結構設計指導。目前在阻氚涂層領域中，已經開展了一部分有限元的研究，主要集中在熱應力、溫度場分布以及位移測量等方面，但是對于納米壓痕實驗結合阻氚涂層系統的力學研究方法卻鮮有報道。因此迫切需要開發一種基于有限元技術的簡潔新方法來解決此問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種Al₂O₃/316L不銹鋼阻氚系統納米壓痕的有限元模擬方法，包括以下步驟：