CN103305787B - 一种在不锈钢基体上制备阻氢及其同位素渗透层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阻氢及其同位素涂层体系，一种采用渗碳工艺制备阻氢及其同位素渗透层的方法。首先对不锈钢基体进行打磨去氧化膜处理，然后采用固体渗碳、气相渗碳等方法在不锈钢表面制备一层渗碳层，渗碳层在550~750℃条件下进行热处理2~5小时使表面的渗碳层转化为碳化物，从而获得良好的阻氢及其同位素性能。

Description

一种在不锈钢基体上制备阻氢及其同位素渗透层的方法
技术领域
本发明涉及一种阻氢及其同位素涂层体系，一种采用渗碳工艺制备阻氢及其同位素渗透层的方法。
背景技术
奥氏体不锈钢由于其面心立方结构，氢及其同位素在其中具有极低的氢扩散系数，与马氏体钢和铁素体钢相比具有更好的耐氢腐蚀性，广泛应用于核能、石化等工业的临氢环境中。随着工业发展，奥氏体不锈钢的阻氢性能变得不能满足需要，在基体表面制备高阻氢效果的涂层应运而生。
氢的同位素氚是核聚变的燃料，氚和氢相似，在金属材料中具有很高的渗透率，导致氚的损失且对环境产生污染。因此与氚接触的不锈钢容器必须具有阻氚渗透性。在不锈钢表面制备一层阻氢及其同位素涂层是最有效的方法。
目前，阻氢及其同位素渗透涂层的研究主要集中在陶瓷涂层(Er2O3、Al2O3、ZrO2、TiN、TiC、SiC等)和金属合金层(Pt、Cu、Ni、Cd等)及渗氮层等。主要的制备方法有电镀法、物理/化学气相沉积法、等离子喷涂法、熔融铝浸涂法、渗氮及溶胶凝胶法等。专利公开号CN 101363110A中，公开了一种利用物理气相沉积法在Fe基材料表面制备阻氢及其同位素用C-SiC涂层；专利公开号CN 101469399A中，公开了一种在活化马氏体钢或奥氏体钢基体表面用气相沉积的方法制备Er2O3阻氢及其同位素涂层的方法。
目前已公开专利中阻氢及其同位素涂层的主要制备方法，由于涂层与基体之间膨胀系数的不同，涂层与基体之间存在结合力的问题。作为阻氢及其同位素性能较好的碳化物涂层，采用气相沉积制备，其制备工艺比较复杂，且成本较高。本专利中采用渗碳方法制备的渗碳层，然后通过热处理使渗碳层转化为碳化物，工艺简单，且由于碳原子是扩散进入基体材料，渗碳层与基体组分连续梯度变化，膨胀系数连续变化，因此具有比较好的结合力。
发明内容
针对已有阻氢及其同位素涂层制备技术存在的工艺复杂、阻氢及其同位素涂层与基体之间存在的结合力差等问题，本专利提供了一种制备阻氢及其同位素涂层的新方法，采用渗碳工艺制备渗碳层然后通过热处理转化为碳化物作为阻氢及其同位素层。
本发明中制备阻氢及其同位素渗透层的渗碳工艺可以采用固体渗碳、气体渗碳和液相等离子体沉积等多种方法制备，然后通过在热处理使渗碳层转化为碳化物层。
本发明的技术方案如下：一种在不锈钢基体上渗碳制备阻氢及其同位素渗透层的方法，其特征在于包括以下步骤：对不锈钢基体进行表面清洗，并在其表面制备一层渗碳层，然后在550~750℃条件下进行热处理2~5小时使表面的渗碳层转化为碳化物，从而获得良好的阻氢及其同位素性能。
进一步的，所述不锈钢基体为316L不锈钢。
进一步的，所述渗碳层的制备采用固体渗碳方法，步骤如下：
1) 对奥氏体不锈钢基体表面打磨去除氧化层，并清洗烘干。
2) 将85-90wt%的SiC粉末和10-15wt%的无水Na2CO3均匀混合，配制成渗碳剂。
3) 试样和渗碳剂装填入渗罐中，并压实，放入炉中按附图1温度-时间曲线进行渗碳及热处理。升温速率为5-15℃/min，渗碳温度T1为900-930℃，渗碳时间t1~t2为1-5h，保温处理温度T2为550-750℃，保温处理时间t3~t4为2-5h。t2~t3为随炉冷却阶段。
4) 随炉冷却至室温，取出试样。
进一步的，所述渗碳层的制备采用气体渗碳方法，步骤如下：
1) 对奥氏体不锈钢基体表面打磨去除氧化层，并清洗烘干。
2) 气体渗碳剂采用天然气等作为碳源，N2作为载气，天然气占气体总量2-5%。
3) 试样装入专用气体渗碳炉中，通入N2排尽炉中空气，N2流量为1-4L/min，按如附图1温度-时间曲线控制温度，以5-15℃/min的速率升温至T1(900-930℃)，通入炉中N2气氛中加入天然气，在T1温度渗碳1-5h，然后停止通入天然气，继续通N2，随炉冷却至T2(550-750℃)进行保温处理2-5h。
4) 随炉冷却至较低温度，停止通N2，继续冷却至室温取出试样。
   本发明的有益效果在于：提供了一种制备阻氢及其同位素涂层的新方法。目前，利用该方法制备阻氢及其同位素层还未见有报道，该方法设备简单，工艺简便，成本低，并且由于碳原子扩散进入基体，渗碳层与基体组分连续变化，膨胀系数连续变化，因此渗碳阻氢层与基体之间具有很好的结合力。
附图说明
图1试样渗碳及保温处理温度-时间曲线。
图2室温条件下，空白试样、固体渗碳和气体渗碳试样进行电化学氢渗透实验的测试结果。
图3渗碳试样截面SEM照片。
图4空白试样与渗碳试样XRD图谱。
具体实施方式
具体实施例1
采用固体渗碳法制备渗碳层，以10℃/min的升温速率升温至900℃，渗碳5h。随后试样随炉冷却至700℃保温4h。然后试样随炉冷却至室温后取出。试样的阻氢性能采用液相电化学方法测试，结果如图2所示，计算各试样氢的有效扩散系数：
D1=5.21×10-7cm2/s， D2=1.06×10-7 cm2/s，
D3=1.59×10-7cm2/s， D4=1.15×10-7 cm2/s。
可以看出渗碳试样与空白试样相比具有较好的阻氢效果。与无涂层试样相比，带涂层的试样常温下的阻氢性能可以提高近4倍。
具体实施例2
采用固体渗碳法制备渗碳层，以10℃/min的升温速率升温至900℃，渗碳5h。随后试样随炉冷却至600℃保温3h。然后试样随炉冷却至室温后取出。电化学测试结果表明，带涂层的试样比无涂层的试样可以提高2倍多。试样截面的组织形貌如图3所示，表面形成了一层富碳层。XRD结果如图4所示，热处理后不锈钢表层有MC等碳化物组成。
具体实施例3
采用气相渗碳法制备渗碳层，采用天然气作为碳源，N2作为载气，天然气占气体总量2%。试样装入气体渗碳炉中，通入N2排尽炉中空气，N2流量为2L/min，按如附图1温度-时间曲线控制温度，以10℃/min的速率升温至900℃，在通入炉中N2气氛中加入天然气，900℃渗碳5h，然后停止通入天然气，继续通N2，随炉冷却至700℃保温处理4h。随炉冷却至较低温度，停止通N2，继续冷却至室温取出试样。试样的阻氢性能采用液相电化学方法测试，结果如图2所示，与无涂层试样相比，带涂层的试样常温下的阻氢性能可以提高近3倍。

Claims (2)

1.一种在不锈钢基体上制备阻氢及其同位素渗透层的方法，其特征在于包括以下步骤：对不锈钢基体进行表面清洗，并在其表面制备一层渗碳层，然后在550-750℃条件下进行热处理2-5小时使表面的渗碳层转化为碳化物，从而获得良好的阻氢及其同位素性能；
所述渗碳层的制备采用固体渗碳方法或气体渗碳方法；
所述固体渗碳方法包括步骤如下：
1)对奥氏体不锈钢基体表面打磨去除氧化层，并清洗烘干；
2)将85-90wt％的SiC粉末和10-15wt％的无水Na2CO3均匀混合，配制成渗碳剂；
3)试样和渗碳剂装填入渗罐中，并压实，放入炉中进行渗碳及热处理；所述渗碳及热处理包括：首先进行升温，升温速率为5-15℃/min，到达渗碳温度T1为900-930℃后进行渗碳，渗碳时间t1-t2为1-5h，随后为随炉冷却阶段t2-t3，到达保温处理温度T2为550-750℃，保温处理时间t3-t4为2-5h；
4)随炉冷却至室温，取出试样；
所述气体渗碳方法包括步骤如下：
1)对奥氏体不锈钢基体表面打磨去除氧化层，并清洗烘干；
2)气体渗碳剂采用天然气作为碳源，N2作为载气，天然气占气体总量2-5％；
3)试样装入专用气体渗碳炉中，通入N2排尽炉中空气，N2流量为1-4L/min，
首先进行升温，升温速率为5-15℃/min，到达T1为900-930℃后，通入炉中N2气氛中加入天然气，在T1温度渗碳1-5h，然后停止通入天然气，继续通N2，随后为随炉冷却阶段t2-t3，到达保温处理温度T2为550-750℃，保温处理时间t3-t4为2-5h；
4)随炉冷却至较低温度，停止通N2，继续冷却至室温取出试样。
2.根据权利要求1所述的一种在不锈钢基体上渗碳制备阻氢及其同位素渗透层的方法，其特征在于：所述不锈钢基体为316L不锈钢。
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