CN103741104A - 通过磁控溅射在锆表面镀锆铜镍三元非晶合金薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

通过磁控溅射在锆表面镀锆铜镍三元非晶合金薄膜的方法，包括以下步骤：以锆-铜合金靶和镍靶作为溅射靶，将靶材置于磁控溅射腔室中，在镍靶下方垫置钛靶；将锆件表面精细抛光，清洗并晾干，置于腔室中；关闭腔室，抽真空至腔室真空度达到4×10-4Pa；往腔室中通入氩气，使腔室真空度为0.3-0.35Pa，开启偏压电源，偏压清洗，将偏压电源调至90~110V，打开对应锆-铜合金靶的直流电源，功率调节为85W，同时打开镍靶的射频电源，将反射功率调至1W，射频功率为17-135W，沉积20-50分钟，锆-铜合金靶和镍靶的倾斜角均为45度，靶基距为90mm，溅射结束关闭电源，锆件表面形成锆铜镍三元非晶合金薄膜。

Description

通过磁控溅射在锆表面镀锆铜镍三元非晶合金薄膜的方法
技术领域
本发明涉及镀非晶合金薄膜的方法，具体涉及一种通过磁控溅射在锆表面镀锆铜镍三元非晶合金薄膜的方法。
背景技术
化石能源的不断减少和传统发电对环境的严重污染，同时不断增加的用电需求，促使作为清洁安全的新能源核电将得到长足的发展。因此随着核电事业的不断发展，更加安全经济的核反应堆堆型将被提出，堆内高腐蚀强辐照的环境对核反应堆的材料也将有更加苛刻的要求。作为核反应堆结构材料应该满足以下几个要求：（1）具有良好的室温和高温力学性能；（2）优良的耐腐蚀性能；（3）热中子吸收截面小和吸收中子后的感生放射性弱；（4）在辐照作用下性能稳定，热导率高，热膨胀系数小等。
锆合金作为核动力堆的燃料包壳和结构材料，已有长期的使用经验。现有作为包壳膜材料的陶瓷脆性比较大，热中子吸收截面大，以及与锆合金基体之间热膨胀系数相差甚大而容易脱落，限制了其在核包壳材料上的应用，此外合金元素的中子吸收截面和吸氢作用，限制了新合金元素的加入，导致合金化技术在制备高性能核材料锆合金的困难。
发明内容
解决的技术问题：本发明克服现有技术的不足提供一种工艺简单且可控性强的通过磁控溅射在锆表面镀锆铜镍三元非晶合金薄膜的方法，该方法所得ZrCuNi三元非晶合金薄膜膜层均匀致密，膜与基体的热膨胀系数相近，具有较强的抗腐蚀能力和好的力学性能抗辐照能力，是一种良好的核反应堆膜材料。
本发明的技术方案：
通过磁控溅射在锆表面镀锆铜镍三元非晶合金薄膜的方法，包括以下步骤：
（1）靶材选取：以锆-铜合金靶和镍靶作为溅射靶，将靶材置于磁控溅射腔室中，在镍靶下方垫置钛靶，其中锆-铜合金靶中锆和铜的原子比为Zr：Cu=65:35；
（2）基体衬底处理：将锆件表面精细抛光，置于超声清洗器中依次用乙醇、除油液清洗，后用去离子水清洗并晾干，将处理后的锆件置于腔室中，其中除油液为丙酮和乙醇的混合液，丙酮和乙醇的体积比为1：2；
（3）抽真空：关闭腔室，抽真空至腔室真空度达到4×10-4Pa；
（4）制备锆铜镍三元非晶合金薄膜：往腔室中通入氩气，调节氩气流量，使腔室真空度为0.3-0.35Pa，开启偏压电源至-400V，偏压清洗3-4分钟，将偏压电源调至90~110V，打开对应锆-铜合金靶的直流电源，功率调节为85W，同时打开镍靶的射频电源，将反射率调至1W，射频功率为17-135W，沉积20-50分钟，锆-铜合金靶和镍靶的倾斜角均为45度，靶基距为90mm，溅射结束关闭电源，锆件表面形成厚度为457（沉积20分钟）~1090nm（沉积50分钟）的锆铜镍三元非晶合金薄膜。
 
有益效果
非晶合金长程无序短程有序的结构，可以认为是无位错，无晶界，无第二相的没有晶体缺陷的凝聚态材料，该材料具有许多性能上的优势，如具有很高的机械强度，良好的抗腐蚀能力，抗辐照能力强等优点，因此非晶合金是一种潜在的优良核材料。锆合金在反应堆中具有广泛的应用，镍合金在反应堆中良好的耐腐蚀性能且 ZrCu基非晶具有良好的非晶形成能力及良好的导热性能，因此ZrCuNi非晶合金可能是一种良好的核反应堆膜材料。因此本发明选用直流磁控溅射和射频磁控溅射共溅法在核材料锆合金上沉积一层覆盖完整、附着力好的ZrCuNi非晶合金薄膜，所得ZrCuNi三元非晶合金薄膜膜层均匀致密，具有良好的力学性能、较强的抗腐蚀能力，且膜与基体均为成分接近的Zr合金材料，相对陶瓷涂层与Zr基体而言，本发明所用的膜基材料间具有良好的相容性，因此本发明制备的三元非晶合金薄膜是一种良好的核反应堆膜材料，可应用于反应堆材料表面镀层。
 
附图说明
图1是实施例1所得Zr62Cu30Ni8非晶合金薄膜表面的扫描电子显微镜图，由图可见薄膜表面平整，而且均匀致密；
图2是不同溅射时间的X射线衍射谱，从图中可以看出均为平缓的馒头峰，说明本发明的薄膜材料是非晶或纳米晶，其中曲线a对应实施例1，曲线b对应实施例2，曲线c对应实施例3，曲线d对应实施例4，而且可以看出实施例1的无定形结构更加明显；
图3是沉积20分钟即实施例1的高分辨透射电子显微图，由图可见原子排列成无序状，衍射花环为晕环，进一步证实本发明为非晶态薄膜；
图4是实施例1所得复合材料和纯锆材料在浓度为2.5%NaCl溶液中的极化曲线，可见镀膜后复合材料的腐蚀电位高于未镀膜的纯锆材料；
图5是沉积20分钟即实施例1所得复合材料和纯锆材料的拉伸应力应变曲线，从图中可以看出，复合材料的抗拉能力强于纯锆材料。
具体实施方式
本发明采用北京泰克诺科技有限公司生产的JCP-600M4高真空多靶磁控溅射镀膜机。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
通过磁控溅射在锆表面镀锆铜镍三元非晶合金薄膜的方法，包括以下步骤：
（1）靶材选取：选取纯度为99.999%的高纯铜与99.2%的锆熔炼成合金靶，Zr和Cu的原子比为65:35，合金靶的尺寸为2英寸×4.2mm，镍靶尺度为2英寸×0.1mm，将两靶材放入磁控溅射腔室相邻的靶位，在镍靶下方垫一个2英寸×4mm的钛靶，以方便固定；
（2）基体衬底处理：将通过线切割切好的大小为1cm×2cm的锆件表面经过精细抛光，放入无水乙醇中超声清洗10分钟，再放入除油液中，在20-40℃下超声除油10分钟，然后用去离子水清洗，晾干后放入腔室中；
（3）抽真空：关闭腔室，利用机械泵和分子泵对腔室进行抽真空处理，直至腔室真空度到4×10-4Pa；
（4）制备锆铜镍三元非晶合金薄膜：往腔室中通入高纯氩气，调节氩气流量，使腔室真空度为0.30-0.35Pa，开启偏压电源至-400V，进行偏压清洗3-4分钟，将偏压电源调至95-105V范围，打开对应锆铜合金靶的直流电源，功率调节为85W，同时也打开镍靶的射频电源，将反射功率调至1W，射频功率为20W，沉积20分钟，锆-铜合金靶和镍靶的倾斜角均为45度，靶基距为90mm，溅射结束关闭电源，锆件表面形成一层457nm的Zr62Cu30Ni8非晶合金薄膜。图1是实施例1所得Zr62Cu30Ni8非晶合金薄膜表面的扫描电子显微镜图，由图可见薄膜表面平整，而且均匀致密。
图1是实施例1所得Zr62Cu30Ni8非晶合金薄膜表面的扫描电子显微镜图，由图可见薄膜表面平整，而且均匀致密。
图3为实施例1的高分辨透射电子显微图，由图可见原子排列成无序状，衍射花环为晕环，进一步证实本发明为非晶态薄膜。
图4是实施例1所得复合材料和纯锆材料在浓度为2.5%NaCl溶液中的极化曲线，可见镀膜后复合材料的腐蚀电位高于未镀膜的纯锆材料。
图5是实施例1的复合材料和纯锆材料的拉伸应力应变曲线，从图中可以看出，复合材料的抗拉能力强于纯锆材料。
实施例2 
与实施例1不同的为步骤（4），沉积时间是30分钟，其他条件和实施例1相同，在锆件表面形成一层750nm的Zr62Cu30Ni8非晶合金薄膜。
实施例3
与实施例1不同的为步骤（4），沉积时间是40分钟，其他条件和实施例1相同，在锆件表面形成一层930nm的Zr62Cu30Ni8非晶合金薄膜。
实施例4
与实施例1不同的为步骤（4），本实施例中的沉积时间是50分钟，其他条件和实施例1相同，在锆件表面形成一层1090nm的Zr62Cu30Ni8非晶合金薄膜。
实施例5
与实施例1不同的为步骤（4），镍靶的功率是88W，其他条件和实施例1相同，在锆件表面形成一层580nm的Zr53Cu25.7Ni21.3非晶合金薄膜。
 
图2是不同溅射时间的X射线衍射谱，从图中可以看出均为平缓的馒头峰，说明本发明的薄膜材料是非晶或纳米晶，其中曲线a对应实施例1，曲线b对应实施例2，曲线c对应实施例3，曲线d对应实施例4，而且可以看出实施例1的无定形结构更加明显。

Claims (5)

1.通过磁控溅射在锆表面镀锆铜镍三元非晶合金薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤： 
1）靶材选取：以锆-铜合金靶和镍靶作为溅射靶，将靶材置于磁控溅射腔室中，在镍靶下方垫置钛靶，其中锆-铜合金靶中锆和铜的原子比为Zr：Cu=65:35；
2）基体衬底处理：将锆件表面精细抛光，置于超声清洗器中依次用乙醇、除油液清洗，后用去离子水清洗并晾干，将处理后的锆件置于腔室中，其中除油液为丙酮和乙醇的混合液，丙酮和乙醇的体积比为1：2；
3）抽真空：关闭腔室，抽真空至腔室真空度达到4×10-4Pa；
4）制备锆铜镍三元非晶合金薄膜：往腔室中通入氩气，调节氩气流量，使腔室真空度为0.3-0.35Pa，开启偏压电源至-400V，偏压清洗3-4分钟，将偏压电源调至90~110V，打开对应锆-铜合金靶的直流电源，功率调节为85W，同时打开镍靶的射频电源，将反射功率调至1W，射频功率为17-135W，沉积20-50分钟，锆-铜合金靶和镍靶的倾斜角均为45度，靶基距为90mm，溅射结束关闭电源，锆件表面形成厚度为457~1090nm的锆铜镍三元非晶合金薄膜。
2.如权利要求1所述的通过磁控溅射在锆表面镀锆铜镍三元非晶合金薄膜的方法，其特征在于，步骤1）中镍靶的纯度为99.9%。
3.如权利要求1所述的通过磁控溅射在锆表面镀锆铜镍三元非晶合金薄膜的方法，其特征在于，步骤4）中镍靶的射频功率调节至20W，沉积20分钟，锆件表面形成厚度为457nm的Zr62Cu30Ni8三元非晶合金薄膜。
4.如权利要求1所述的通过磁控溅射在锆表面镀锆铜镍三元非晶合金薄膜的方法，其特征在于，步骤4）中镍靶的射频功率调节至20W，沉积30分钟，锆件表面形成厚度为750nm的Zr62Cu30Ni8三元非晶合金薄膜。
5.如权利要求1所述的通过磁控溅射在锆表面镀锆铜镍三元非晶合金薄膜的方法，其特征在于，步骤4）中镍靶的射频功率调节至20W，沉积40分钟，锆件表面形成厚度为930nm的Zr62Cu30Ni8三元非晶合金薄膜。
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