福岛核泄露事故后,核燃料包壳材料的安全性问题受到科研人员广泛关注。Zr合金具有中子吸收截面低、导热性好等优点,是最常用的包壳材料,但Zr合金质地较软,常规工况下耐磨性需进一步提高;事故工况下Zr合金会与水蒸气反应,引发爆炸,必须采取一定措施提高Zr合金在常规工况和事故工况下的安全性。在Zr合金表面制备防护涂层是解决这一问题的有效手段之一。因此,本论文通过对Zr合金表面复合涂层设计制备、防护性能和防护机理一体化研究,制备Zr合金表面陶瓷/金属复合涂层,使涂层在常规工况下具有一定耐磨性和较强结合力的同时,在事故工况下表现出优异的抗氧化性能,为核反应堆安全性提升提供技术支撑。首先,通过直流磁控溅射技术在Zr-4合金上制备Cr涂层,根据高温氧化实验和亲水性测试确定了涂层的最优基底处理工艺为100、400、1200、2000目砂纸依次打磨,并将基底周围磨成圆弧。当溅射气压为0.5 Pa,沉积时间为90 min时,Cr涂层具有较好的抗氧化性和结合力。此外,镀膜后进行真空热处理能够明显增强涂层与基底的结合力。为进一步提高涂层的耐磨性,在最优工艺的Cr涂层上制备陶瓷耐磨抗氧化涂层,对复合涂层材料进行了筛选,确定了用射频磁控溅射技术制备Cr N作为上层涂层材料。研究了溅射压强、基底偏压对Cr/CrN复合涂层的耐磨性、结合力及抗氧化能力的影响。结果表明,当溅射气压为1 Pa、基底偏压为-100 V时,复合涂层的综合性能最佳,涂层表面平整,粗糙度较低,同时具有出色的抗氧化性和耐磨性。由于Cr和Cr N表面在高温时生成了薄且致密的Cr2O3,阻止了O2进一步渗入,实现了较强的抗氧化能力。本文采用直流与射频磁控溅射技术结合的方式在Zr合金上制备Cr/CrN复合涂层,涂层不仅具有较佳的结合力和耐磨损能力,还具有出色的抗氧化能力,为耐事故Zr合金包壳涂层的制备提供了新的思路。