新型三元合金Ti-V-Nb非蒸发 getter的激活特性

《Vacuum》：Activation properties of a novel ternary alloy Ti-V-Nb non-evaporable getters

负压扩散涂层（NEG）是现代真空技术中的关键材料，本研究首次采用热喷涂技术制备Ti-V-Nb三元合金NEG薄膜，成功实现180℃部分激活，表现出优异的溅射泵性能，且制备时间短、成本低、无需真空环境。

　　

王杰|阿尔文·坎邦多|司庆宇|卡安·伊吉特|吴涛|尼基塔·帕夫卢申|刘吉|吴华英

中国陕西省西安交通大学先进核能工程研究中心、先进核能与技术重点实验室、核科学与技术学院、能源与动力工程学院、机械工程学院

摘要：

不可蒸发吸气剂薄膜（NEG）涂层已被广泛研究，并且现在常用于粒子加速器、场发射显示器以及许多其他依赖稳定真空条件的现代技术中。本研究重点关注创新的Ti-V-Nb NEG薄膜，这些薄膜最初是通过热喷涂技术沉积在铜基材上的。首次制备并分析了这些Ti-V-Nb三元合金NEG薄膜。研究重点在于Ti-V-Nb NEG薄膜涂层的活化性能以及其表面形态和化学状态。结果表明，热喷涂的Ti-V-Nb NEG薄膜涂层可以在180°C下部分活化半小时，并能有效用作吸气剂泵。与传统磁控溅射方法相比，这种沉积方法具有低成本、易于制备、附着力好以及准备时间短（大约几分钟）等优点，且无需真空环境。

引言

粒子加速器中带电粒子束的寿命受到残余气体分子的严重影响。传统上，通过在离散位置放置真空泵来减少这些气体，但无法维持均匀的真空条件。为了克服这一限制，人们在真空室的内壁上沉积NEG薄膜[1]、[2]。其他现代技术，如真空管、场发射显示器（FEDs）、惰性气体净化系统、H₂等离子体净化和聚变反应堆中的氢回收也依赖于NEG吸气剂技术。已知涂有NEG薄膜的表面能够有效吸附CO、CO₂、H₂O、N₂和O₂等活性残余气体，H₂会扩散到吸气剂内部，起到长时间连续泵的作用。

周期表中的IVB族元素（如Ti和Zr）由于其强烈的残余气体亲和力、与其他元素的兼容性、机械稳定性和高氧溶解度[3]、[4]，非常适合用于NEG薄膜的开发。相比之下，VB族元素（如V）的氧扩散性较高，但氧溶解度较低。为了平衡这些性质，将这两类元素结合形成三元或四元涂层。之前也研究了Ti-Hf、Ti-Zr和Hf-Zr等二元组合，其中Ti-Zr NEG涂层的活化温度最低，约为200°C[5]。这些元素具有高氧溶解度、强气体吸附能力、良好的基底附着力、非磁性以及优异的机械性能。Ti-V涂层在约340°C时表现出活化阈值，在大约550°C时达到最佳泵送速度和容量[6]。虽然较低的活化温度可以提高使用便利性，但NEG薄膜的有效性还取决于化学稳定性、吸附能力和工作温度下的整体吸气效率[7]、[8]。Benvenuti等人证明，符合质量标准（R>0.5）的Ti-Zr-V合金在180°C活化后是有效的氢吸气剂[9]。

铌（Nb）属于VB族，具有较高的氧扩散性，但氧溶解度较低。为了最大化效率，Nb最好与IVB族元素以二元或三元合金的形式结合使用。在空气中暴露时，Nb容易形成约2-3纳米的薄氧化层。对于1μm厚的Nb薄膜，经过十次暴露循环后，其整体氧浓度约为2-3%。增加薄膜厚度可以进一步降低氧浓度，从而延长NEG材料的寿命[10]。这些特性使得Ti-V-NbNEG薄膜成为本研究的理想候选材料。

本研究使用等离子喷涂沉积法，在铜基材上制备了原子比为1:1:1的Ti-V-Nb NEG涂层。粉末形式的材料被注入等离子射流中，颗粒熔化后撞击基材，形成附着力强的涂层。与磁控溅射相比，等离子喷涂具有以下优势：

?

多功能性（可以沉积金属、合金、陶瓷和复合材料，且对基底尺寸没有限制）。

?

高沉积速率（几分钟）。

?

无需真空环境。

这比磁控溅射[11]具有显著优势，后者需要较长的真空准备时间（至少半天）且沉积速率较低[12]、[13]。最初提出使用等离子喷涂方法来制备这种新型Ti-V-Nb NEG薄膜涂层。本文还研究了NEG涂层的化学计量比和活化温度。

实验与方法

在开始热喷涂涂层过程之前，对基底表面进行了处理以确保最佳附着力和涂层质量。首先进行彻底清洁和脱脂，以去除所有油污或污染物。随后，使用平均直径为0.2毫米的二氧化硅砂粒通过压缩空气进行喷砂处理，使表面粗糙化，从而增加表面积并形成适合机械互锁的轮廓

扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）分析

对不同放大倍数下的铜基材上Ti-V-Nb涂层的微观结构进行了分析，显示了关键的微观特征，包括图4（a-d）中的熔滴边界和图4（d）中的微裂纹。未涂层的基底，特别是样品#5（经过喷砂处理）和样品#6（原始状态），展示了基底处理对涂层过程中表面形态的影响。图4（e）显示了样品#5的粗糙表面，这是喷砂处理的典型特征

结论

本研究开发了一种新型的Ti-V-Nb NEG薄膜，并通过热喷涂技术将其沉积在铜基材上，该技术无需真空环境，且与磁控溅射相比显著减少了准备时间。研究了NEG薄膜的微观结构和活化性能。本研究的主要发现总结如下：

1)

在热喷涂过程中，工艺参数的调整对颗粒速度、温度等有显著影响

作者贡献声明

司庆宇：方法论、数据分析、数据管理。阿尔文·坎邦多：撰写——初稿、数据分析、数据管理。吴涛：数据分析、数据管理。卡安·伊吉特：方法论、数据分析。王杰：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、监督、资源协调、方法论研究、资金获取、概念构思。刘吉：方法论、数据分析。尼基塔·帕夫卢申：验证、方法论研究。吴华英：资源协调、研究支持

未引用参考文献

[29]; [30]。

注释

作者声明没有竞争性财务利益。

利益冲突

作者声明没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据获取

手稿中的数据可从相应作者处获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号12375321）的支持。作者感谢西安交通大学仪器分析中心的梁晨宇在XPS测试方面提供的帮助。