雙成分梯度阻氫滲透涂層及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬表面處理涂層及其制備方法，具體為雙成分梯度阻氫滲透涂層及 其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球經(jīng)濟與人口的高速發(fā)展，能源危機與環(huán)境污染成為了當今世界面臨的兩 大難題。核能開發(fā)與利用由此成為了解決上述問題的主要途徑之一。自國際熱核聚變能試 驗堆ITER計劃建立以來，聚變能的開發(fā)研宄就成為了科學界與工程界關注的焦點。聚變堆 材料問題是聚變能商業(yè)化能否成功的關鍵工程問題之一，尤其是聚變堆實驗包層模塊TBM 中的阻氫滲透涂層更是當前極具挑戰(zhàn)性的難點問題。
[0003] 因此，世界各國研宄者與工程技術(shù)人員利用各種涂層制備技術(shù)研宄開發(fā)了大量的 阻氫滲透涂層。按材料體系劃分，阻氫滲透陶瓷涂層大致包括四種：氧化物涂層、硅化物涂 層、鈦化物涂層以及Al化物涂層等。其中，三氧化二鋁（Al 2O3)涂層是綜合性能最為優(yōu)越、 最具大規(guī)模商用的候選材料體系之一。但是，在TBM結(jié)構(gòu)材料表面沉積涂覆Al 2O3涂層面臨 著涂層與基體的界面結(jié)合難題。Al2O3屬于陶瓷材料，而TBM結(jié)構(gòu)材料為鋼材，二者之間存 在性質(zhì)上的巨大差異，因此造成涂層與鋼材基體的結(jié)合力弱化，容易發(fā)生涂層剝落，從而使 得阻氫滲透性能大幅度下降，尤其是在高溫、熱沖擊、輻照等服役環(huán)境下極易發(fā)生失效。
[0004] 近年來，人們提出了多種工藝技術(shù)來解決Al2O3涂層與鋼材基體的界面結(jié)合難題。 主要的解決辦法是在二者之間形成中間過渡層的方法來提高二者的界面結(jié)合力。例如，通 過熱處理的方式，利用鋼材中Cr元素的高溫擴散在鋼材與涂層之間生成Cr-O相的過渡層， 從而提高界面結(jié)合力。但是，這種方法難以避免鋼基體中Fe的擴散，實際應用中通常生成 的是Fe-Cr-O相的過渡層，其大多是脆性相，因此反而惡化了涂層與基體的結(jié)合強度。近 期，利用梯度成分設計的方法也被應用解決這一難題，且取得了很好的效果。這種工藝是采 用單成分梯度的涂層設計，可以有效提高梯度過渡層與涂層，或梯度過渡層與基體之間的 其中一個界面的結(jié)合強度，在一定程度上強化了 Al2O3涂層與鋼材基體的界面結(jié)合問題。但 是，由于未能實現(xiàn)雙界面的同時強化，因此較弱界面容易提前發(fā)生破壞，導致Al 2O3涂層/鋼 材基體體系的力學失效，最終導致涂層阻氫滲透性能大幅度降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種綜合性能優(yōu)異的阻氫滲透涂層，涂層與基體 界面結(jié)合力高、涂層內(nèi)應力較小、抗熱沖擊性能良好，且阻氫滲透性能優(yōu)異，具體的技術(shù)方 案為：
[0006] 雙成分梯度阻氫滲透涂層，在鋼材基片上依次包括以下涂層：Cr涂層、Cr-O成分 梯度涂層、Cr-Al-O成分梯度涂層、Al-O成分梯度涂層和Al 2O3涂層。
[0007] 雙成分梯度阻氫滲透涂層，由以下方法制備所得：
[0008] 第（1)步，鋼材基片表面拋光與清洗
[0009] 將鋼材基片進行表面研磨拋光、除油劑清洗、酸洗與去離子漂洗并吹氣烘干；然后 將鋼基片在磁控濺射鍍膜機的真空室進行等離子體偏壓反濺清洗；
[0010] 研磨拋光過程是依次采用100目至2000目的水砂紙，以及拋光絨布，使用3 μ?? 粒徑的金剛石拋光劑進行拋光，使得鋼材基片表面成鏡面效果；除油劑配方組成為碳酸 鈉160g/L、檸檬酸鈉45g/L、活性劑5g/L、磷酸鈉50g/L ;磁控濺射鍍膜機為QX-500型商 用磁控濺射鍍膜機；等離子體偏壓反濺工藝參數(shù)為：本底真空度為5Xl(T4pa、反濺偏壓 為-400V、工作氣體為Ar氣，反濺氣壓為I. OPa、清洗時間為lOmin。
[0011] 第⑵步，Cr涂層制備
[0012] 將真空室抽至真空度< 5 X l(T4pa。隨后，向真空室通入Ar氣作為濺射氣體，開啟 Cr靶進行濺射，Cr純度> 99. 9%，在鋼材基片表面沉積純Cr涂層，濺射沉積工藝參數(shù)為： Ar氣流量為200sccm，工作氣壓為0. 4Pa，Cr靶濺射功率為200W，通過改變沉積時間制備厚 度為50?200nm的Cr涂層。
[0013] 第（3)步，Cr-O成分梯度涂層制備
[0014] 在其它工藝參數(shù)保持不變的條件下，向真空室逐漸充入02氣，其遞增速率為1? 10sccm/min ;同時，逐漸降低Ar氣流量，使得真空室中工作氣壓保持在0. 4Pa ;當O2氣與Ar 氣的流量比達到1 : 7時，不再改變O2氣與Ar的氣流量；隨著O 2與Ar的氣流量比不斷增 加，涂層表面形成Cr-O成分梯度涂層，涂層中O/Cr的含量比逐漸增加。通過調(diào)控O 2氣遞 增速率，Cr-O成分梯度涂層的厚度可以在20?IOOnm范圍內(nèi)進行控制。
[0015] 第（4)步，Cr-Al-O成分梯度涂層制備
[0016] 當O2氣與Ar氣的流量比達到1 : 7后，立即將Cr靶的濺射功率由200W降低，遞 減速率為10?20W/min，同時開啟Al靶進行濺射，濺射功率由50W逐漸增加，遞增速率為 10?20W/min。當Al把濺射功率達到200W時，關閉Cr靶工作電源，停止Cr靶濺射。涂層 表面形成Cr-Al-O成分梯度涂層，且由于Al靶與Cr靶的濺射功率比值不斷增加，涂層中 Al/Cr的含量比逐漸增加。通過調(diào)控Al靶濺射功率的遞增速率，Cr-Al-O成分梯度涂層的 厚度在50?200nm范圍內(nèi)進行控制。
[0017] 第（5)步，Al-O成分梯度涂層制備
[0018] 在保持其它工藝參數(shù)不變的條件下，逐漸增加 O2氣流量，其遞增速率為1? 5sccm/min。同時，逐漸降低Ar氣流量，使得真空室中工作氣壓保持在0. 4Pa。當O2氣與Ar 氣流量比達到1 : 4后，不再改變O2氣與Ar的氣流量。隨著O2氣與Ar氣流量比的不斷增 加，涂層表面開始形成Al-O成分梯度涂層，其中涂層中Ο/Al的含量比逐漸增加。通過控制 O2氣遞增速率，Al-O成分梯度涂層的厚度可以在50?200nm范圍內(nèi)進行控制。
[0019] 第（6)步，Al2O3涂層制備
[0020] 當O2氣與Ar氣的流量比達到1 : 4后，保持所有工藝參數(shù)不變，沉積具有勻質(zhì)成 分的Al2O3涂層。通過控制沉積時間來獲得厚度為500?2000nm的Al 203涂層。
[0021] 第（7)步，涂層退火處理
[0022] 將制備涂層放入退火爐中在大氣氛圍條件下進行退火處理。具體退火工藝參數(shù)如 下：退火溫度為500°C、升溫速率為20°C /min、保溫30min、隨爐冷卻至室溫取出。
[0023] 所述的鋼材基片為Cr元素含量不小于7%的鋼材料。包括304、316、CLF-1、CLAM、 FH82等型號的商用鋼材。
[0024] 本發(fā)明提供的雙成分梯度阻氫滲透涂層，為雙成分梯度（Cr，Al) O阻氫滲透涂層， 增加了成分梯度亞層，起到過渡層作用，增強過渡層與涂層、過渡層與鋼材這兩個界面，因 此Al 2O3涂層與梯度涂層的結(jié)合性能更加優(yōu)異，同時由于雙成分梯度設計涂層的成分連續(xù) 變化，因此涂層的殘余應力較小，涂層的抗熱沖擊性能十分優(yōu)異，不易導致力學失效，涂層 的阻氫滲透性能更好。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的雙成分梯度阻氫滲透涂層的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明的雙成分梯度阻氫滲透涂層涂層中的Cr和Al成分變化示意圖。 具體實施例
[0027] 結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細說明。
[0028] 實施例1
[0029] 采用QX-500型商用磁控濺射鍍膜機在304號不銹鋼基材表面制備雙成分梯度 (Cr，Al) O阻氫滲透涂層，包括以下工藝步驟：
[0030] 第（1)步，鋼材基片表面拋光與清洗
[0031] 將304型號鋼材基片依次采用100目至2000目的水砂紙，以及拋光絨布，使用 3 μπι粒徑的金剛石拋光劑進行拋光，使得鋼材基片表面成鏡面效果。隨后利用除油劑清洗、 酸洗與去離子漂洗、烘干，除油劑配方組成為碳酸鈉160g/L、檸檬酸鈉45g/L、活性劑5g/L、 磷酸鈉50g/L ;隨后將鋼材基片放入磁控濺射鍍膜機真空室進行等離子體偏壓反濺清洗， 工藝參數(shù)為：本底真空度為5X l(T4pa、反濺偏壓為-400V、工作氣體為Ar氣，反濺氣壓為 I. OPa、反派時間為lOmin。
[0032] 第⑵步，Cr涂層制備
[0033] 將真空室抽至真空度IX 10_5pa。之后，向真空室通入Ar氣作為濺射氣體，開啟Cr 靶進行制備。濺射工藝參數(shù)為：Ar氣流量為20〇SCCm，工作氣壓為0. 4Pa，Cr靶濺射功率為 200W，制備出厚度為IOOnm的Cr涂層。