CN101363110A - 一种阻氢(氚)用的C-SiC涂层物理气相制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种C－SiC阻氢(氚)保护涂层制备方法。该方法采用物理气相沉积技术即磁控溅射结合离子束轰击混合的技术，在Fe基体上制备具有多层结构的C－SiC涂层，涂层均匀致密，且与基体具有优良的结合强度，能使基体的阻氢(氚)性能提高3个数量级以上。本发明的步骤为：一、抛光清洗后的Fe基体在真空靶室中进一步清除表面的氧化物；二、采用加偏压的中频或射频的磁控溅射技术在基体表面沉积C－SiC；沉积一定厚度的C－SiC后，用离子束轰击其表面，随后再沉积C－SiC，再用离子束轰击；重复此步骤，直至涂层达到预定厚度；三、进行真空退火或电子束扫描处理；四、完成涂层的制备。

Description

一种阻氢(氚)用的C-SiC涂层物理气相制备方法

技术领域

本发明属于核技术及应用领域，涉及一种用于阻氢(氚)的C-SiC涂层的物理气相制备方法。

背景技术

低原子序数(Z)的材料如石墨、SiC等具有优良的抗辐射、高的热传导性和抗热冲击等性能。氢及其同位素在其中的扩散系数比在Fe基材料如不锈钢中低数个量级，因而具有优良的阻氢(氚)效果，由这些低Z材料作为涂层，可用于聚变堆第一壁、核废料垃圾桶内壁的保护上，也可以应用于氢环境下关键金属构件的抗氢脆的保护上。此外，这种材料的涂层还能有效提高被保护的基体材料的耐腐蚀抗磨损性能。

石墨及SiC涂层的制备有多种方法，已公开的如下：1)专利公开号CN1594648A中，在射频磁控溅射沉积过程中对Si衬底加热高达1000℃的条件下形成SiC薄膜，随后进行高达1300℃真空或保护气体下的退火。这种方法制备的涂层用于光电子、微电子器件的非晶SiC薄膜或具有择优取向的晶体薄膜；2)专利公开号CN101138787A，将一定比例的SiC颗粒、粘结剂、添加剂、净化剂及辅料搅拌成膏状后采用负压铸渗法在中碳钢基体上涂覆SiC，改善中碳钢的表面抗磨损性能；3)在专利公开号CN1554802A中，采用聚碳硅烷(PCS)溶液涂覆在基体表面，经挥发形成PCS涂层，然后在含有Si的保护气体下进行高温裂解，形成一定碳/硅比的碳化硅涂层。该涂层用于核反应堆石墨表面抗氧化保护。

本发明与上述诸方法不同之处在于：这种物理气相的制备方法是由磁控溅射沉积与离子束轰击混合交替进行的制备方法。这种方法是通过能量粒子与基体及沉积物质的相互作用的动力学过程，使沉积的C-SiC涂层与基体及已沉积的物质发生混合，大大提高了涂层与基体的结合强度，有效提高涂层的致密度；同时通过动力学相变过程使涂层材料发生晶化，这样又避免了沉积过程中的高温加热。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备C-SiC阻氢(氚)保护涂层的物理气相制备方法。在Fe基材料表面涂覆结构致密、与基体结合好的阻氢(氚)性能优良的C-SiC涂层，该涂层可广泛使用于富氢(氚)环境下(如聚变堆第一壁、核废料垃圾桶内壁、关键金属构件)Fe基材料表面保护上。

本发明的C-SiC涂层制备包括如下步骤：

1)对钢基体表面进行金相抛光处理，后用常规进行清洗烘干；以一定比例的C/SiC通过烧结制成磁控溅射靶材；

2)用离子束轰击基体表面进行溅射清洗，或采用高真空条件下电子束扫描的方法去除基体表面氧化层及吸附的杂质，提高基体表面活度；

3)使用磁控溅射与离子束轰击相结合的技术在基体上制备C-SiC涂层；

4)重复步骤3，直至涂层厚度达到所需厚度；

5)将制备的样品进行退火处理；

6)取出样品，完成制备C-SiC涂层的工艺。

其中磁控溅射电源为射频或中频磁控电源。

其中磁控溅射和离子束的工作气体为氩气。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是多功能表面处理设备结构示意图；

图2是不锈钢基体上制备的C-SiC涂层SEM微观形貌图；

图3是不锈钢基体上制备的C-SiC涂层C、Si、Fe元素的SIMS深度分布图。

具体实施方式

实施案例1.

1)不锈钢基体表面进行金相抛光，并依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗15分钟，烘干后置于靶室1中的样品架上；将C-SiC靶材固定在磁控溅射靶头2上的阴极靶托上。

2)开启真空机组3，将靶室抽真空到5×10^-4Pa以上。将不锈钢基体移至离子源4处，基体表面与离子源法线夹角为45°，开启离子源，用25KeV的氩离子束对基体表面进行溅射清洗。

3)开启中频磁控电源，中频频率为40kHz，辅助气体为氩气，磁控溅射电压为350～450V，初始溅射电流为200mA，在基体上加载0～100V的负偏压，预沉积C-SiC厚度达20nm后，关闭氩气，待真空度达5×10^-3Pa以上时，用40KeV的氩离子束轰击沉积表面。然后采用中频磁控沉积C-SiC约40nm，再用相同条件的氩离子轰击，重复此步骤至涂层达到预定厚度，关闭磁控电源及离子源，半小时后关闭真空机组。

4)约2小时后，从真空室中取出样品。

5)采用真空退火处理技术消除制备的C-SiC涂层中的氩气，如图2所示，退火温度为400～700℃，退火时间为15～30分钟。

实施案例2.

1)铁基材料表面抛光及清洁处理，不同比例的C/SiC靶材固定在不同的磁控溅射阴极靶托上。

2)靶室抽真空到5×10^-4Pa以上。将不锈钢基体移至电子枪5处，基体表面与电子枪法线夹角为45°，开启电子枪，用20KeV、束斑为Φ2mm的聚焦电子束对基体表面进行扫描清洗，去除基体表面的氧化物及污染物。

3)采用射频磁控溅射沉积C-SiC涂层。类似实施案例1中的步骤3)，射频频率为13.6～27.2MHz，溅射电压300～800V，电流密度4～50mA/cm²，氩气压力10^-1～2.0Pa，工件与靶的距离4～10cm。根据涂层使用要求，更换不同靶的磁控溅射系统，从而制备出具有不同比例C/SiC多层结构的涂层。

4)约2小时后，从真空室中取出样品。

5)采用电子束扫描进行退火以消除C-SiC涂层中的氩气，电子束功率密度为2×10³～8×10³W/cm²，二维扫描速度分别为：移动速度2～5cm/min；旋转速度50～100r/min。

制备出的C-SiC涂层均匀、致密，形成的涂层与基体具有展宽的过渡层，如图3二次离子质谱所示，基体元素Fe与涂层元素Si、C发生混合、相互渗透，因而大大提高了涂层与基体的结合强度。氢离子辐照模拟结果表明，氢在涂层中的浓度比不锈钢基体中高出3个数量级以上，显示出优良的阻氢性能。

Claims (9)

1.采用本方法制备具的C-SiC阻氢(氚)保护涂层，其特征在于包括如下步骤：

1)对钢基体表面进行金相抛光处理后，用常规方法进行清洗烘干；以一定比例的C/SiC通过烧结制成磁控溅射用的靶材；

2)用离子束轰击基体表面进行溅射清洗，或采用高真空条件下电子束扫描的方法去除基体表面氧化层及吸附的杂质，提高基体表面活度；

3)使用磁控溅射与离子束轰击相结合的技术在基体上制备C-SiC涂层；

4)重复步骤3)，直至涂层厚度达到所需厚度；

5)将制备的样品在真空环境下进行退火处理；

6)取出样品，完成制备C-SiC涂层的工艺。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：靶材为一定比例的石墨和SiC混合烧结而成，根据涂层使用条件，其SiC/C比例可以是25％～90％。钢基体可以是不锈钢等Fe基材料。

3.根据权利要求1所述的方法，磁控电源可以为射频或中频磁控源，功率密度为1.5～3W/cm²。工作气体为氩气。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：为了进一步提高涂层与基体的结合强度，在初沉积的C-SiC薄膜时，可以在基体上加载0～100V的负偏压。

5.根据权利要求1所述的离子束轰击，其特征在于：清洗用时，能量为15～25KeV；沉积混合用时，能量为30～80KeV，剂量为0.5×10¹⁵～1.5×10¹⁶cm^-2。

6.根据权利要求1所述的电子束扫描清洗基体表面，其特征在于：能量为15～30KeV，功率密度为5×10⁴～1×10⁵W/cm²。

7.根据权利要求1所述的C-SiC薄膜层沉积厚度，其特征在于：预沉积的厚度应通过TRIM计算，以保证离子束能够穿透薄膜层进入基体；在此基础上沉积的薄膜层厚度及沉积次数可根据离子束能量、拟制备的涂层厚度等调整。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：形成的C-SiC涂层是多层结构的，通过不同比例的C-SiC靶材进行沉积时，可制备出具有组份梯度的C-SiC涂层，从而获得更好的阻氢(氚)性能。

9.根据权利要求1所述的真空退火，其特征在于：在真空环境下，采用热退火或电子束退火以消除残留在涂层中的气体，使涂层更致密。其中，退火温度为400～700℃，退火时间为15～30分钟；电子束退火采用行扫描方式加热，功率密度为2×10³～8×10³W/cm²。

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