CN103160828A - 一种钢基阻氢渗透复合涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢基阻氢渗透复合涂层及其制备方法。所述阻氢渗透涂层由钢表面的热生长氧化物涂层，以及热生长氧化物涂层上的致密氧化铝涂层构成。所述热生长氧化物涂层通过钢基体700-1000℃受控氧化处理获得。所述氧化铝阻氢渗透涂层是提供于所述钢基体所提供的热生长氧化物涂层之上。所述氧化铝涂层的高温结合力、热循环性能由热生长氧化物中间过渡层来改进。本发明制得的氧化铝涂层结构致密、结合力强，具有优异的阻氢渗透性能和热循环使用性能。

Description

一种钢基阻氢渗透复合涂层及其制备方法

技术领域

本方法公开了一种钢基阻氢渗透复合涂层及其制备方法。该涂层可以用于钢的渗透阻挡涂层，特别是该涂层可用于氢存储、输运器件的阻氢渗透涂层，也可用于下一代核聚变反应堆第一壁结构材料的阻氚渗透涂层。

背景技术

涉氢的应用领域广泛存在氢渗透和扩散的问题，氢的渗透会导致一系列问题如氢脆、氢析出富集等。在核聚变反应堆中，作为第一壁结构材料的不锈钢处于较高工作温度条件，高温下其氚渗透率会显著升高，氚的渗透不仅造成氚的浪费、不锈钢氢脆，对环境也会造成严重的放射性污染。因此，阻氢渗透材料在涉氢应用领域具有巨大的应用潜力。目前，对阻氢渗透材料的研究主要集中在结构材料表面形成有效的阻氢渗透涂层。

不同涂层材料体系中，氧化铝具有优异的阻氢渗透性能、化学稳定性和耐腐蚀性能等，其氢渗透降低因子高达10³，被确定为最有潜力的阻氢渗透涂层材料之一[K.S.Forcey，D.K.Ross.J.Nucl.Mater.182(1991)36；D.Levchuk，F.Koch，H.Maier，H.Bolt，J.Nucl.Mater.328(2004)103]。但是，由于氧化铝(α-氧化铝)热膨胀系数为6.9×10^-6K^-1，与不锈钢基体热膨胀系数(如，316不锈钢18.5×10^-6K^-1)存在较大差异，不锈钢基体上直接沉积的氧化铝涂层的高温结合力低、容易剥落，严重影响了其实际使用中的阻氢渗透性能。一种解决办法是在所述不锈钢基体上提供合金中间层作为过渡层。CN101469409A、CN101265603A、CN101845645A公布了合金过渡层的复合涂层制备技术，所述金属或合金过渡层为Al或FeAl合金，可由包埋渗铝、热喷涂、热浸镀、物理气相沉积、化学气相沉积等获得。虽然此类过渡层韧性高，对基体具有良好的结合性能，但金属或合金层的制备涉及金属层涂覆及高温后处理，制备工艺复杂，成本高。

GB2093073A公开了一种不锈钢基体表面原位热生长氧化物涂层作为氢渗透阻挡涂层的技术，通过900-1000℃氧化气氛下在不锈钢表面热生长一层含有氧化铬的的氧化物涂层，所述热生长氧化物涂层对不锈钢基体结合强度高，并且具备自我修复能力。但是，不锈钢基体热生长氧化物涂层由于其阻氢渗透性能较差而具有一定局限性，热生长氧化物涂层的氢渗透降低因子为2-25[A.Aiello，M.Utili，S.Scalia，G.Coccoluto，84(2009)385]。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢基体上阻氢渗透复合涂层及其制备方法，为提高不锈钢的阻氢渗透性能，申请人提出在不锈钢基体上制备阻氢渗透复合涂层，首先通过原位低氧分压热生长氧化物涂层作为内层，之后在该热生长氧化物涂层上采用反应磁控溅射、等离子喷涂、化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积、溶胶凝胶法等方法中的一种或多种混合制备氧化铝涂层作为外层。使用本发明的方法获得的阻氢渗透复合涂层具有涂层结合力高、热循环性能优异、阻氢渗透性能优异等优点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种阻氢渗透复合涂层，该复合涂层由在钢基体原位热生长的氧化物涂层作为内层，和氧化铝涂层作为外层复合而成。

所述复合涂层由钢基体(优选含铬合金钢基体)热生长氧化物涂层，以及热生长氧化物涂层上的致密氧化铝涂层构成。热生长氧化物涂层作为氧化铝涂层与钢基体(优选含铬合金钢基体)的中间过渡层，起到调节热膨胀系数，增加氧化铝涂层附着力的作用。

在本发明的阻氢渗透复合涂层中，所述的钢基体为含铬合金钢。

在本发明的阻氢渗透复合涂层中，所述的原位热生长的氧化物涂层为原位热生长的含有氧化铬的的氧化物涂层。

一种制备本发明的阻氢渗透复合涂层的方法，在钢基体原位热生长的氧化物涂层，所述的氧化物涂层是在10^-15-10^-20Pa氧分压和700-1000℃条件下，经过0.5-20小时氧化在钢基体表面原位生长而成；并在原位热生长的氧化物涂层表面上直接沉积氧化铝涂层。

在本发明的制备阻氢渗透复合涂层的方法中，所述的钢基体为含铬合金钢，所述的原位热生长的氧化物涂层为含有氧化铬的氧化物涂层。

在本发明的制备阻氢渗透复合涂层的方法中，所述的氧化铝涂层是由反应磁控溅射、等离子喷涂、化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积和溶胶凝胶法等方法中的一种或多种而直接沉积在热生长氧化物涂层表面上。

与现有技术相比，本发明的阻氢渗透复合涂层制备方法的优点是：

1.钢基体(优选含铬合金钢基体)原位热生长氧化物涂层具有阻氢渗透性能。

2.热生长氧化物涂层能够调节钢基体(优选含铬合金钢基体)与外层氧化铝涂层的热膨胀过程，提高外层氧化铝涂层与钢基体的结合强度。

3.本发明的阻氢渗透复合涂层具有热循环性能好，氢渗透降低因子高的特点。

附图说明

图1为阻氢渗透复合涂层的结构示意图。

图2为实施例1中制备的阻氢渗透复合涂层的截面和表面电子扫描电镜照片。

图3为实施例1和2中制备的阻氢渗透复合涂层的阻氢渗透性能

图4为实施案例2中制备的阻氢渗透复合涂层的EDS能谱分析元素深度分布。

具体实施方式

如图1所示，本发明的阻氢渗透复合涂层，该复合涂层由在钢基体1原位热生长的氧化物涂层2作为内层，和氧化铝涂层3作为外层复合而成。其中，钢基体1为含铬合金钢基体；原位热生长的氧化物涂层2为含有氧化铬的氧化物涂层。

本发明结合下列实施例和附图进一步说明，但本发明不局限于下面实施例。

实施例1

Eurofer低活马氏体不锈钢片经抛光、超声清洗处理后置于石英管式气氛炉中，在载水氩气氛，在10^-20Pa氧分压，700℃下氧化5h获得含有氧化铬的的氧化物涂层。之后将其置于石英管式气氛炉中采用金属有机物化学气相沉积方法，在热生长氧化物涂层上沉积氧化铝涂层。图2为阻氢渗透复合涂层的截面和表面扫描电镜照片。其中，图2(a)为阻氢渗透复合涂层的截面电镜照片，如图2(a)所示，在阻氢渗透复合涂层的截面形貌中，从下到上依次为不锈钢基体、热生长氧化物涂层和氧化铝涂层。图2(b)为阻氢渗透复合涂层的表面扫描电镜照片，如图2(b)所示，阻氢渗透复合涂层的表层氧化铝涂层致密、无裂纹。图3(a)为该复合涂层对Eurofer不锈钢的阻氢渗透性能曲线，400℃其氢渗透降低因子为870。

实施例2

F82H低活马氏体不锈钢经抛光、超声清洗处理后置于石英管式气氛炉中，在载水氩气氛，在10^-20Pa氧分压，在900℃下氧化5h获得含有氧化铬的的氧化物涂层。之后采用溶胶凝胶法在热生长氧化物涂层上制备氧化铝涂层。图3为该复合涂层的EDS能谱元素深度分布，结果表明由外至内复合涂层分别为氧化铝、热生长氧化物涂层。图3(b)为该复合涂层对F82H不锈钢的阻氢渗透性能曲线，400℃其氢渗透降低因子为910。

Claims (5)

1.一种阻氢渗透复合涂层，其特征在于，该复合涂层由在钢基体原位热生长的氧化物涂层作为内层，和氧化铝涂层作为外层复合而成。

2.根据权利要求1所述的阻氢渗透复合涂层，其特征在于所述的钢基体为含铬合金钢，所述的原位热生长的氧化物涂层为含有氧化铬的氧化物涂层。

3.一种制备权利要求1所述的阻氢渗透复合涂层的方法，其特征在于，在钢基体原位热生长的氧化物涂层，所述原位热生长氧化物涂层是在10^-15-10^-20Pa氧分压和700-1000℃条件下，经过0.5-20小时氧化在钢基体表面原位生长而成；并在原位热生长氧化物涂层表面上直接沉积氧化铝涂层。

4.根据权利要求3所述的制备阻氢渗透复合涂层的方法，其特征在于，所述的钢基体为含铬合金钢，所述的原位热生长的氧化物涂层为含有氧化铬的氧化物涂层。

5.根据权利要求3所述的制备阻氢渗透复合涂层的方法，其特征在于，所述的氧化铝涂层是由反应磁控溅射、等离子喷涂、化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积和溶胶凝胶法方法中的一种或多种而直接沉积在热生长氧化物涂层表面上。

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