为了确保聚变堆中的氚自持和环境安全性,氚增殖包层及其辅助涉氚系统的结构材料必须具有尽可能低的氚渗透率。除了可靠的氚包容和涉氚系统结构设计外,阻氚涂层是减少氚通过结构材料向其它系统及环境渗透的有效措施之一。因具有渗透率降低因子(PRF)高、热失配小、冶金结合、相容性好及自修复性能等优点,FeAl/Al2O3型铝化物涂层成为多国氚增殖包层的首选阻氚涂层。然而,与涂层的体相性质相比,在实际应用中铝化物阻氚涂层的性能常常低于预期。可能的原因是铝化物涂层中存在合金化效应,包括基底效应和掺杂效应。然而,目前铝化物阻氚涂层研究主要集中在涂层的制备工艺研发及性能优化阶段,且涂层的制备仅在有限几种钢基底上展开,还未系统深入地研究钢基底本身的材料特征包括所含合金元素、微观组织结构等对涂层的影响及相关机理。鉴于此,本论文首先从实验上系统地研究了不同Cr钢基底表面铝化物阻氚涂层的形成过程及阻氘渗透性能,证实了铝化物阻氚涂层中存在基底效应,并探讨了基底效应的来源及影响因素。其次,从理论上研究了钢基底材料中最主要的合金元素Cr对铝化物阻氚涂层主要功能部分即A1203中的缺陷化学及H在材料中的存在形式和输运行为的影响,揭示了Cr在铝化物阻氚涂层中的作用。主要研究成果如下：1)提出并实验证实了铝化物阻氚涂层中存在基底效应。室温熔盐电镀后,不同Cr钢基底表面形成灿镀层的微观结构和晶粒存在细微差别,而Al镀层的厚度则差异明显。真空热处理后,不同Cr钢基底表面形成铝化合金层的厚度、成分和物相也不同,钢基底材料中的合金元素Cr也参与了铝化过程。选择性氧化后,不同Cr钢基底表面均形成了一薄层γ-Al2O3膜,但厚度因基底而异。制备铝化物阻氚涂层后,Cr钢样品的稳态氘渗透通量下降达2个量级；但对不同的Cr钢样品,其稳态氘渗透通量的降低程度不等。可见,铝化物阻氚涂层中存在基底效应,在涂层的形成和阻氘渗透过程中扮演重要角色。2)探讨了铝化物阻氚涂层基底效应的影响因素。在铝化过程中,热处理温度对铝化合金层的分层、晶粒生长方式、厚度、成分和物相等有重要影响,即温度在铝化物涂层的基底效应中起作用。基底效应受热处理温度影响明显,随着温度的升高,基底效应先增强后降低。基底材料中的合金元素Cr对铝化物涂层的形成有重要影响,在较低热处理温度(≤700℃)下,Cr对铝化层的形成不利；但在更高温度(>700℃)热处理时,Cr对铝化层形成的负面效应降低。此外,基底材料本身的晶体结构和金相组织等微观组织结构在铝化物涂层的基底效应中也发挥着作用。可见,铝化物阻氚涂层的基底效应主要源于基底材料中的合金元素及其本身的晶体结构和金相组织等微观组织结构。3)提出了α-Al2O3中有关本征点缺陷及点缺陷反应的新见解。基于孤立本征点缺陷的形成能和电荷态,发现α-Al2O3中的肖特基缺陷、弗伦克尔缺陷和反位对缺陷的形成与氧环境有关。每种孤立本征点缺陷的最稳定价态并非都是其满价态,如Vo的最稳定态为中性态。在富氧条件下,α-Al2O3中极易形成反位原子OAl,而通常认为其很难形成。结合孤立本征点缺陷的形成能和电荷态,可以得出,α-Al2O3中最稳定的肖特基缺陷并非通常认为的{3Vo2+:2VAl3-}:而同时α-Al2O3中可能有两种O弗伦克尔缺陷,最稳定的缺陷构型是{Oi1+：Vo1-},而不是通常认为的{Oi2+：Vo2-}。这些结果为α-Al2O3中的本征点缺陷和点缺陷反应给出了新的见解。4)探讨了Cr在α-Al2O3点缺陷形成和反应中的作用。α-Al2O3中孤立本征点缺陷的形成、电荷态和相对稳定性将受Cr的显著影响,从而导致其点缺陷反应发生改变,且这些影响与氧环境有关。总的说来,Cr对α-Al2O3中肖特基缺陷、弗伦克尔缺陷和反位对缺陷的形成有利。5)揭示了Cr在α-Al2O3中H与本征点缺陷相互作用和H扩散中的角色。α-Al2O3中H相关缺陷的形成、存在形式、电荷态和相对稳定性将受Cr的显著影响,且Cr对H相关缺陷的形成有利。在α-Al2O3中,Vo和VAl极易捕陷Hi,但其H捕陷能力将因Cr的存在受到不同程度的弱化。Hiq是α-Al2O3中的主要扩散物,Cr对Hiq的扩散有利,但却可能对铝化物阻氚涂层的阻氢渗透性能产生不利影响。在纯α-Al2O3中,Hi的扩散包括螺旋运动和跳跃两个步骤,并发生了化学键的断裂、形成、重新形成或重排等；而在Cr掺杂α-Al2O3中,仅包括H-Cr键的重排一个步骤,因而使Hi的扩散更容易。Cr对α-Al2O3中H与本征点缺陷相互作用及H扩散的影响可归因于Cr3+不稳定的电子结构及H、Cr原子间比H与晶格Al、O原子间相对更强的成键相互作用。上述研究具有重要的应用背景和基础科学价值,研究结果可以指导不同牌号不锈钢结构材料表面铝化物阻氚涂层制备的方案设计和工艺优化,并对铝化物阻氚涂层在不同钢结构材料表面应用关键控制技术的提出及更广范围内渗铝涂层的制备及性能研究有借鉴意义。