CN101579958B - 一种钢基多功能陶瓷复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种钢基多功能陶瓷复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钢基多功能陶瓷复合涂层及其制备方法，包括附着在合金钢表面的铁铝合金层、氧化铝涂层、二氧化硅涂层及碳化硅涂层。本发明提供了一种以铁铝粉、氧化铝粉、二氧化硅(石英)粉、碳化硅粉为原料，用真空等离子体喷涂工艺在合金钢基体材料表面制备复合涂层，最后利用热等静压工艺对复合涂层进行致密化处理，以最终得到新型氧化铝/二氧化硅/碳化硅多功能陶瓷复合涂层的方法。本发明方法工序简洁，便于大规模生产，除了适用于要求苛刻的聚变堆及其它核工业领域外，也可应用于化工行业、日用家具行业、电器行业、制造业以及锅炉及耐高温材料领域等。

Description

一种钢基多功能陶瓷复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于合金钢表面防护新技术领域，具体是一种钢基多功能陶瓷复合涂层及其制备方法。
背景技术
在聚变堆中，包层是实现氚燃料自持和聚变能应用的关键部件。包层中增殖的氚将可能以间隙原子形式向金属中扩散，且有较高的渗透能力，很容易通过结构材料向包层外渗透，一方面造成氚燃料的泄漏与流失，另一方面氚具有一定的放射性，容易对工作人员及周围居民造成潜在放射性危害。另外，包层中流动的液态锂铅合金对结构材料的腐蚀是可能引起包层性能降低乃至破坏的主要因素，同时液态金属在强磁场环境下流动将产生磁流体动力学(MHD)效应，抑制液态金属的流动，从而改变液态金属的流场分布和湍流特性，并最终影响流体的传热效果和聚变堆的热效率。因此要求表面涂层具有以下主要功能：(1)防氚渗透；(2)阻止液态金属对结构材料的腐蚀；(3)具有电绝缘特性，以降低液态金属MHD效应。
目前作为防氚渗透的绝缘材料主要包括氧化铝和碳化硅，但由于制备工艺差异，氧化铝涂层在液态锂铅环境下的氚渗透降低因子(TPRF)低于聚变堆设计要求100，且与锂铅的相容性温度只有-480℃。研究表明当致密碳化硅涂层厚度达到-2μm时，即具有很高的TPRF值(-10000)，且与锂铅的相容性温度可达到800℃以上，但其与合金钢的热物性(如热膨胀系数等)相差较大，导致两者在高温下的结合性能很差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢基多功能陶瓷复合涂层及其制备方法，利用真空等离子体喷涂工艺，在合金钢表面通过优化组合氧化铝和碳化硅并在其间加入二氧化硅以制备氧化铝/二氧化硅/碳化硅复合涂层，最后利用热等静压工艺对复合涂层整体进行致密化处理，进一步提高复合涂层的防氚渗透、耐锂铅腐蚀及电绝缘性能。
本发明的技术方案如下：
一种钢基多功能陶瓷复合涂层，其特征在于：在合金钢表面依次涂覆铁铝合金层、氧化铝涂层、二氧化硅涂层及碳化硅涂层。
所述各层的厚度为：铁铝合金层50-150μm、氧化铝涂层20-100μm、二氧化硅涂层10-50μm及表面的碳化硅涂层20-100μm。
所述的复合涂层的制备方法，其特征在于：以铁铝粉为原料利用真空等离子体喷涂工艺在合金钢表面制备厚度为50-150μm的铁铝合金层；以氧化铝粉为原料利用真空等离子体喷涂工艺在铁铝合金层上制备厚度为20-100μm的氧化铝涂层；以二氧化硅石英粉为原料利用真空等离子体喷涂工艺在氧化铝层上制备厚度为10-50μm的二氧化硅涂层；以碳化硅粉为原料利用真空等离子体喷涂工艺在二氧化硅层上制备厚度为20-100μm的碳化硅涂层；最后利用热等静压工艺对复合涂层整体进行致密化处理。
本发明的复合涂层，其氧化铝涂层的热膨胀系数介于合金钢和碳化硅的热膨胀系数之间，所以铁铝合金层和氧化铝层可以作为中间层，另外通过在氧化铝和碳化硅之间加入二氧化硅玻璃层以进一步阻止氘和氚向合金钢基体方向的渗透。由于二氧化硅的硬度小于氧化铝和碳化硅，相对于二者二氧化硅为韧性材料，所以其还可以作为二者之间的缓冲层，增强氧化铝层与碳化硅层的结合性能，提高复合涂层的热震稳定性，保持了复合涂层整体在高温服役条件下的完整性，从而使复合涂层的防氚渗透、耐锂铅腐蚀及电绝缘性能得以实现，并最终延长液态金属包层的其服役时间。
本发明得到的复合涂层总厚度达到100-400μm，在气相中的TPRF值可达到1000-10000，在液态锂铅中TPRF值可达到100，并且具有电绝缘功能，电阻率可达到1010Ωcm，同时复合涂层与液态锂铅的相容性温度可以达到800℃。可以应用于核聚变反应堆包层结构材料表面，并可有效地解决防氚渗透、液态锂铅腐蚀及MHD效应等问题。
鉴于本发明复合涂层的防氚渗透、耐腐蚀、电绝缘、高硬度及优异热稳定性等多重功能，其除了适用于要求苛刻的聚变堆及其它核工业领域外，也可应用于化工行业的反应釜内壁及日常生活中家具表面的耐腐蚀处理，电器行业中产品部件表面电绝缘处理，制造业中的合金钢如高速钢等的切削道具表面硬质涂层处理，以及锅炉及耐高温材料表面的热障涂层防护处理等。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
图1中，1为基体合金钢，2为铁铝合金层，3为氧化铝涂层，4为二氧化硅涂层，5为碳化硅涂层。
钢基多功能陶瓷复合涂层的制备方法：
1.利用真空等离子体喷涂工艺在基体合金钢1表面制备厚度为50-150μm的铁铝合金层2。
2.利用真空等离子体喷涂工艺在铁铝合金层上制备厚度为20-100μm的氧化铝涂层3。
3.利用真空等离子体喷涂工艺在氧化铝涂层3上制备厚度为10-50μm的二氧化硅涂层4。
4.利用真空等离子体喷涂工艺在二氧化硅玻璃层4上制备厚度为20-100μm的碳化硅涂层5。
5.利用热等静压工艺对复合涂层整体进行致密化处理，得到多功能多用途陶瓷复合涂层的氧化铝/二氧化硅/碳化硅复合涂层。

Claims (2)

1.一种钢基多功能陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于：以铁铝粉为原料利用真空等离子体喷涂工艺在合金钢表面制备厚度为50-150μm的铁铝合金层；以氧化铝粉为原料利用真空等离子体喷涂工艺在铁铝合金层上制备厚度为20-100μm的氧化铝涂层；以二氧化硅石英粉为原料利用真空等离子体喷涂工艺在氧化铝层上制备厚度为10-50μm的二氧化硅涂层；以碳化硅粉为原料利用真空等离子体喷涂工艺在二氧化硅层上制备厚度为20-100μm的碳化硅涂层；最后利用热等静压工艺对复合涂层整体进行致密化处理。
2.根据权利要求1所述方法制备的复合涂层，其特征在于：在合金钢表面的涂层成分结构依次为铁铝合金层、氧化铝涂层、二氧化硅涂层及碳化硅涂层。
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