一種氧化鋯和氧化鋁梯度復(fù)合涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧化鋯和氧化鋁梯度復(fù)合涂層及其制備方法，該復(fù)合涂層可應(yīng)用于涉氫領(lǐng)域中鋼結(jié)構(gòu)件的氫滲透阻擋涂層，也可應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)件的耐磨、耐蝕涂層。
【背景技術(shù)】
[0002]阻氫滲透涂層是對結(jié)構(gòu)部件的氫滲透起降低和阻擋作用的一類涂層材料，是涉氫及氫同位素應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。早在上世紀七十年代，蘇聯(lián)就已開展阻氫涂層SCB玻璃涂層的研究和開發(fā)，應(yīng)用于TOPAZ空間堆堆容器壁的阻氫滲透。SCB玻璃具備較好的阻氫性能，但S12在300°C下會與氫發(fā)生反應(yīng)造成玻璃的脆化和破裂，使其在阻氫涂層方面的應(yīng)用受到限制。1991年，F(xiàn)orcey等首次提出采用Al/Fe層作為聚變堆結(jié)構(gòu)材料表面阻氚涂層，他們的研究工作證實了 Al/Fe層作為阻氚涂層的應(yīng)用潛力，涂層滲透阻擋因子高達3-4個數(shù)量級。
[0003]近些年來，研究者對新型阻氫滲透涂層材料開展了大量研究，例如TiC、SiC、Si02、Cr2O3> A1203、Y2O3> Er2O3> ZrO2等。其中，A1203、ZrO2由于其優(yōu)異的阻氫滲透、高溫穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性能，作為阻氫滲透涂層材料受到了廣泛的研究關(guān)注。此外，除了單一的涂層材料外，復(fù)合涂層研究也在近些年開展起來。與單一涂層相比，復(fù)合涂層與基體間的物理、化學(xué)匹配性能更加優(yōu)異，氫滲透阻擋、膜基結(jié)合力和熱循環(huán)性能都有進一步提高。CN101469409A公布了一種比例可調(diào)的氧化鋁/氧化鉺復(fù)合結(jié)構(gòu)阻氫滲透涂層，結(jié)合了氧化鋁的高阻氫滲透與氧化鉺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點，復(fù)合涂層經(jīng)室溫至500°C多次冷熱循環(huán)，涂層無開裂和剝落現(xiàn)象發(fā)生。CN101629028A公布了一種金屬與氧化鋁交替沉積的復(fù)合涂層，通過金屬層的加入提高復(fù)合涂層的結(jié)合力，該復(fù)合涂層具有優(yōu)異的耐高溫、耐氧化性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種氧化鋯/氧化鋁梯度復(fù)合涂層，為提高鋼結(jié)構(gòu)件的阻氫滲透性能，本發(fā)明提出在鋼基體上制備梯度復(fù)合涂層，利用氧化鋯、氧化鋁熱膨脹系數(shù)的差異實現(xiàn)鋼基體與梯度復(fù)合涂層的熱物理匹配(氧化鋯熱膨脹系數(shù)11 X KT6IT1,氧化鋁5-6X 10-?-1),從而提高涂層的整體熱循環(huán)使用性能。該梯度復(fù)合涂層結(jié)合了氧化鋯層與氧化鋁層的阻氫滲透性能，涂層具有阻氫滲透性能、熱循環(huán)使用性能優(yōu)異的特點。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種氧化鋯和氧化鋁梯度復(fù)合涂層，包括多層(兩層以上)由不同質(zhì)量百分比的氧化鋯和氧化鋁組成的復(fù)合層，即多個復(fù)合層中，氧化鋯和氧化鋁的質(zhì)量百分含量各不相同，所述的氧化鋯和氧化鋁組成的復(fù)合層布設(shè)在鋼基底上。
[0007]所述的氧化鋯和氧化鋁梯度復(fù)合涂層，可由多層氧化鋯和氧化鋁質(zhì)量百分比漸變的復(fù)合層構(gòu)成，即可由多層X值漸變的(100%-x) ZrO2-XAl2O3復(fù)合層構(gòu)成，其中x為Al2O3的質(zhì)量百分比，O ( X ( 100% ;多層氧化鋯和氧化鋁質(zhì)量百分比漸變的復(fù)合層中，X值順序遞減或遞增；梯度復(fù)合涂層的厚度為< 2微米。
[0008]所述氧化鋯為單一的氧化鋯，也可以是氧化物穩(wěn)定氧化鋯，氧化物選自氧化鈣、氧化鎂、氧化釔、氧化鑭、氧化鈰、氧化鐠、氧化釹、氧化钷、氧化釤、氧化銪、氧化釓、氧化鋱、氧化鏑、氧化欽、氧化鉺、氧化銩、氧化鐿、氧化镥中的一種或兩種以上的組合。所述氧化物穩(wěn)定氧化鋯中，氧化物的含量為4_25wt%。
[0009]所述的鋼基底為304、304L、316、316L、410、416、430、431、630 不銹鋼中的一種。
[0010]本發(fā)明還提供了上述氧化鋯和氧化鋁梯度復(fù)合涂層的制備方法。
[0011]一種氧化鋯和氧化鋁梯度復(fù)合涂層的制備方法，采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法或采用反應(yīng)磁控共濺射方法制備。
[0012]采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法，在鋼基底上沉積氧化鋯/氧化鋁梯度復(fù)合涂層，包括如下步驟:鋼基底經(jīng)過丙酮、酒精和去離子水超聲清洗后，放入反應(yīng)室；以乙酰丙酮鋯和乙酰丙酮鋁為金屬前驅(qū)體，采用Ar作為載氣，O2作為反應(yīng)氣體；通過改變乙酰丙酮鋯和乙酰丙酮鋁的揮發(fā)溫度以及Ar載氣流量，調(diào)節(jié)沉積復(fù)合涂層中氧化鋯和氧化鋁的組成比例。如，乙酰丙酮鋯的揮發(fā)溫度為150?180°C，通過乙酰丙酮鋯的Ar載氣流量為10?30SCCm;乙酰丙酮鋁的揮發(fā)溫度為120?125°C，通過乙酰丙酮鋁的Ar載氣流量為10?30sccm ；02流量10?20sccm，沉積溫度為500?600°C，沉積時間為0.5?2小時，反應(yīng)室壓強為1200?1600Pa。
[0013]采用的反應(yīng)磁控共濺射方法包括直流磁控濺射、中頻磁控濺射和射頻磁控濺射方法。采用反應(yīng)磁控共濺射方法，在鋼基底上沉積氧化鋯/氧化鋁梯度復(fù)合涂層，包括如下步驟:采用金屬鋯(或采用鋯/鈣合金、鋯/鎂合金、鋯/釔合金、鋯/鑭合金、鋯/鈰合金、鋯/鐠合金、錯/釹合金、錯/钷合金、錯/衫合金、錯/銪合金、錯/禮合金、錯/鋪合金、錯/鏑合金、錯/欽合金、錯/鉺合金、錯/錢合金、錯/鐿合金或錯/镥合金)，金屬招為I巴材，分別采用獨立的直流、中頻和/或射頻電源供電，Ar作為起輝氣體，O2作為反應(yīng)氣體；鋼基底經(jīng)過丙酮、酒精和去離子水超聲清洗后，放入真空腔體，當(dāng)背底真空優(yōu)于8X10_3Pa后，在濺射室中用Ar等離子體轟擊清洗15分鐘；控制Ar/02=20/l?2/1 (流量比)，總壓0.1?4Pa，靶-基距40?100mm，基底偏壓-40?-200V ;通過調(diào)整鋯靶和鋁靶的濺射功率和沉積時間獲得不同組成比例的多層梯度復(fù)合涂層。如，在鋯靶和鋁靶的濺射功率分別為50?15000ff,50?15000W的條件下沉積5?200min。
[0014]本發(fā)明的氧化鋯/氧化鋁梯度復(fù)合涂層，包括鋼基體以及其上的氧化鋯/氧化鋁梯度復(fù)合涂層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的氧化鋯/氧化鋁復(fù)合梯度涂層的優(yōu)點在于結(jié)合了氧化鋯和氧化鋁的阻氫滲透特性，同時，通過調(diào)節(jié)復(fù)合涂層中氧化鋯和氧化鋁組成比例，可以改變復(fù)合涂層的熱膨脹系數(shù)，改善復(fù)合涂層與基體之間的熱物理匹配性能，從而改善復(fù)合涂層的熱循環(huán)使用性能。
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明結(jié)合下列實施例進一步說明，但本發(fā)明不局限于下面實施例。
[0016]實施例一
[0017]在316不銹鋼上沉積氧化鋯/氧化鋁梯度復(fù)合涂層，采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積。316不銹鋼經(jīng)過丙酮，酒精和去離子水超聲清洗后，放入反應(yīng)室。以乙酰丙酮鋯和乙酰丙酮鋁為金屬前驅(qū)體，采用Ar作為載氣，O2作為反應(yīng)氣體。乙酰丙酮鋯的揮發(fā)溫度為180°C，通過乙酰丙酮鋯的Ar載氣流量為30sCCm。乙酰丙酮鋁的揮發(fā)溫度為120°C，通過乙酰丙酮鋁的Ar載氣流量為lOsccm。O2流量lOsccm，沉積溫度為500°C，沉積時間為0.5小時，反應(yīng)室壓強為1200Pa。
[0018]通過改變乙酰丙酮鋯和乙酰丙酮鋁的揮發(fā)溫度以及Ar載氣流量，調(diào)節(jié)沉積復(fù)合涂層中氧化鋯和氧化鋁的組成比例。乙酰丙酮鋯的揮發(fā)溫度為150°C，通過乙酰丙酮鋯的Ar載氣流量為30sCCm。乙酰丙酮鋁的揮發(fā)溫度為125°C，通過乙酰丙酮鋁的Ar載氣流量為1sccm0沉積溫度為500°C，沉積時間為0.5小時，反應(yīng)室壓強為1600Pa。
[0019]獲得多層梯度氧化鋯/氧化鋁復(fù)合涂層的厚度為1.2微米，多層梯度復(fù)合涂層中氧化鋯和氧化鋁的含量由76wt%、24wt%過渡為37wt%、63wt%。對獲得的多層梯度復(fù)合涂層式樣進行氫滲透性能測試，600°C下復(fù)合