CN104087902A - 金属材料表面的绝缘涂层及其制备方法 - Google Patents

金属材料表面的绝缘涂层及其制备方法 Download PDF

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本发明提供金属材料表面的绝缘涂层及其制备方法，属于材料领域。金属材料表面的绝缘涂层，所述绝缘涂层的表层为稀土氮化物层，内层为稀土氧化物层；所述稀土氮化物层与金属材料冶金结合。所述金属材料表面的绝缘涂层的制备方法，采用双辉等离子表面合金化方法在金属材料表面制备绝缘涂层。本发明金属材料表面的绝缘涂层，具有较高电阻率，该绝缘涂层与金属材料的界面结合力强。本发明金属材料表面的绝缘涂层的制备方法，生产效率高，投资少，降低生产成本，并能取得较好的经济效益。

Description

金属材料表面的绝缘涂层及其制备方法
技术领域
   本发明属于材料领域，具体涉金属材料表面的绝缘涂层及其制备方法。
背景技术
磁流体压力下降是液态金属聚变反应的关键问题。在结构材料表面制备一种电绝缘的包覆涂层是解决该问题的有效方法。一些陶瓷氧化物涂层，如CaO，Y2O3，CaZrO3，AlN 及 Er2O3 作为绝缘涂层的候选材料。由于Er2O3与液态锂具有高的相容性及高的电阻率，近年来，Er2O3涂层作为一种最佳的磁流体绝缘涂层在核聚变堆包层涂层方面开始受到了人们的重视。目前，Er2O3涂层的主要制备方法有物理气相沉积（PVD），如射频磁控溅射法、原位生长和弧光辅助等离子沉积法等。然而，由于稀土元素原子半径大，易氧化等问题，使得不同的制备方法在得到Er2O3涂层的同时，也存在各自的一些缺陷，PVD工艺复杂，效率低，弧光辅助等离子沉积法涂层与基体结合性能一般，因此常规的PVD方法通常难以达到块体Er2O3的致密结构和优异性能。聚变堆包层绝缘涂层的实际应用要求涂层的电阻率大于1 × 106 Ω·cm。人们利用金属有机化学气相沉积方法，在不锈钢及镍基衬底表面制得了不同晶向的Er2O3涂层。人们利用真空度优于3.0×10－4Pa的磁控溅射镀膜获得的Er2O3涂层质的电阻率在1012Ω·cm。尽管目前获得Er2O3涂层的方法，均不同程度的提高了其的绝缘特性，但是如何在保证绝缘涂层高电阻率的同时能提高Er2O3涂层与基体的界面结合同样是目前核聚变堆包层应用中需要解决的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供金属材料表面的绝缘涂层，具有较高电阻率，该绝缘涂层与金属材料的界面结合力强。
本发明还提供金属材料表面的绝缘涂层的制备方法，生产效率高，投资少，降低生产成本，并能取得较好的经济效益。
金属材料表面的绝缘涂层，所述绝缘涂层的表层为稀土氮化物层，内层为稀土氧化物层；所述稀土氮化物层与金属材料冶金结合。
所述稀土氧化物为氧化铒；所述稀土氮化物为氮化铒。
所述稀土氧化物层厚度约为8-12微米，所述稀土氮化物层厚度为2-4微米。
所述金属材料表面的绝缘涂层的制备方法，采用双辉等离子表面合金化方法在金属材料表面制备绝缘涂层。
所述双辉等离子表面合金化方法包括如下步骤：
（1）将金属材料作为工件极，铒靶作为源极，金属材料与铒靶的间距为15-20mm，工件极、源极均为阴极，双层辉等离子表面冶金炉的腔室作为阳极；
（2）在氩气及氧气氛下，设置工件极电压为300-400 V，预轰击金属材料；调节工件极电压调至400-550 V，工件极电流控制在2.0-2.5A，调节源极电压为750-900V、源极电流为1.2-1.6A，使工件极达到700-800℃，保温2-4小时；
（3）关闭源极电源，停止通入氧气，调整氩气压为10-25 Pa，将工件极电压降到200-300 V，微辉保护降温；停止通入氩气，关闭工件极电源，将炉内抽到真空度为1-5×10-4Pa，冷却到室温，出炉。
所述金属材料为片状。
所述金属材料预处理后作为工件极；所述金属材料的预处理方法为：将金属材料采用砂纸进行打磨，然后用金刚石研磨膏进行抛光处理，最后用丙酮超声清洗。
 
步骤（2）中炉内气体压强为35-40Pa，氩气和氧气的压强比为15-20：1。
 
本发明方法的优点如下：
（1） 本发明以金属材料作为基体，稀土元素铒作为靶材，在低真空环境下实现在金属材料表面制备绝缘层涂层，见图1所示。绝缘涂层在室温情况下的电阻率为(2.0-6.0)×1013Ω·cm，远大于聚变堆包层绝缘涂层所要求的电阻率。
（2）稀土元素含量由稀土氧化物层至稀土氮化物层呈梯度分布。稀土氮化物层与基体呈冶金结合，绝缘涂层达到10-16微米，所以绝缘涂层与金属材料的界面结合力很强。见图2所示。
（3）双辉等离子表面合金化是一种主要利用阴极溅射，结合空心阴极效应加热工件，使合金元素在表面与基体之间成梯度分布，渗层与基体之间无界面弱化，达到冶金结合的新型表面改性技术。近年来，该技术主要集中在钛合金表面进行渗钼、渗氮、渗碳、渗铬、复合钼-氮、铬-碳共渗及碳氮共渗处理提高基体的耐磨耐蚀性能，至今尚未见用双辉等离子表面合金化技术制备氧化铒涂层的相关报道。
（4）本发明采用双辉等离子表面合金化技术，在低真空条件下在钛合金表面制备表层为稀土氧化物层、内层为稀土氮化物层的绝缘涂层，由于稀土氮化物层与金属材料冶金结合，所以稀土元素扩散进入基体，因此绝缘涂层与金属材料结合性能良好，避免了常规物理气相沉积所带来的界面结合问题。
附图说明
图1为绝缘涂层的XRD图谱。
         图2为绝缘涂层的截面扫描图谱。
 
具体实施方式
实施例1  在钛合金表面制备绝缘涂层
片状钛合金，型号为Ti6Al4V，进行如下预处理：依次用200#、400#、600#、800#及1000#砂纸进行粗磨及精磨，然后再用金刚石研磨膏进行抛光处理，最后用丙酮超声清洗。
铒靶尺寸为100 mm×100 mm×5mm，纯度99.95%，进行如下预处理：用砂纸打磨干净露出新鲜表面，在丙酮中进行超声清洗，吹干。
采用双辉等离子表面合金化方法在钛合金表面制备氧化铒涂层：
（1）在双层辉等离子表面冶金炉中，将预处理后的钛合金作为工件极放在基盘上并用保温罩保护。将预处理后的铒靶作为源极，固定在工件极上方，钛合金与铒靶的间距为工件工作的极间距，是16mm。工件极、源极为阴极，双层辉等离子表面冶金炉的腔室作为阳极；
（2）炉内气体压强控制在35-40 Pa，炉内气体为氩气及氧气的混合气体，氩气和氧气的压强比为15:1打开冷却水，调节工件极电源电压为300 V，对钛合金进行10分钟预轰击，一方面对试样进行清洗，另一方面活化表面以便于活性原子的吸附。预轰击之后，工件极电压调至400 V，工件极电流控制在2.4 A，将源极电压调整到850V，源极电流控制在1.5A，使工件极达到750℃，稳定各工艺参数并开始保温2小时。
（3）关闭源极电源，停止通入氧气，调整氩气压为10 Pa，将工件极电压降到200V，微辉保护降温；停止通入氩气，关闭工件极电源，将炉内抽到真空度为2.0×10-4Pa，冷却到室温，出炉。
采用上述方法，在钛合金（Ti6Al4V）表面依次镀上了氧化铒（Er2O3）层和氮化铒（ErN）层（图1），从图2可以看出氧化铒（Er2O3）的渗层厚度约为10微米，氮化铒（ErN）层的厚度约为3微米。在室温情况下的绝缘涂层的电阻率为4.5×1013Ω·cm，远大于聚变堆包层绝缘涂层1×106 Ω·cm所要求的电阻率。
实施例2  在316L不锈钢表面制备绝缘涂层
片状不锈钢，型号为316L，进行如下预处理：依次用200#、400#、600#、800#及1000#砂纸进行粗磨及精磨，然后再用金刚石研磨膏进行抛光处理，最后用丙酮超声清洗。
铒靶尺寸为100 mm×100 mm×5mm，纯度99.95%，进行如下预处理：用砂纸打磨干净露出新鲜表面，在丙酮中采用超声清洗，吹干。
采用双辉等离子表面合金化方法在钛合金表面制备氧化铒涂层：
（1）在双层辉等离子表面冶金炉中，将预处理后的钛合金作为工件极放在基盘上并用保温罩保护。将预处理后的铒靶作为源极，固定在工件极上方，钛合金与铒靶的间距为工件工作的极间距，是20mm；工件极、源极为阴极，双层辉等离子表面冶金炉的腔室作为阳极；
（2）炉内气体压强控制在35-40 Pa，炉内气体为氩气及氧气的混合气体，氩气和氧气的压强比为20:1，打开冷却水，调节工件极电源电压为400 V，对钛合金进行10分钟预轰击，一方面对试样进行清洗，另一方面活化表面以便于活性原子的吸附。预轰击之后，工件极电源电压调至550 V，工件极电流控制在2.0 A，将源极电压调整到750V，源极电流控制在1.4A，使工件极达到800℃，稳定各工艺参数并开始保温4小时。
（3）关闭源极电源，停止通入氧气，调整氩气压为25 Pa，将工件极电压降到300V，微辉保护降温；停止通入氩气，关闭工件极电源，将炉内抽到真空度为4.0×10-4Pa，冷却到室温，出炉。
采用上述方法，在316L不锈钢表面依次渗上了由氧化铒（Er2O3）和氮化铒（ErN）组成的绝缘涂层，氧化铒（Er2O3）的厚度为8微米和氮化铒（ErN）的厚度为2微米。在室温情况下的绝缘涂层的电阻率为5.3×1013Ω·cm，远大于聚变堆包层绝缘涂层1×106 Ω·cm所要求的电阻率。

Claims (8)

1.金属材料表面的绝缘涂层，其特征在所述绝缘涂层的表层为稀土氮化物层，内层为稀土氧化物层；所述稀土氮化物层与金属材料冶金结合。
2.根据权利要求1所述金属材料表面的绝缘涂层，其特征在于所述稀土氧化物为氧化铒；所述稀土氮化物为氮化铒。
3.根据权利要求1或2所述金属材料表面的绝缘涂层，其特征在于所述稀土氧化物层厚度约为8-12微米，所述稀土氮化物层厚度为2-4微米。
4.权利要求1-3之一所述金属材料表面的绝缘涂层的制备方法，其特征在于采用双辉等离子表面合金化方法在金属材料表面制备绝缘涂层。
5.根据权利要求4所述金属材料表面的绝缘涂层的制备方法，其特征在于所述双辉等离子表面合金化方法包括如下步骤：
（1）将金属材料作为工件极，铒靶作为源极，金属材料与铒靶的间距为15-20mm，工件极、源极均为阴极，双层辉等离子表面冶金炉的腔室作为阳极；
（2）在氩气及氧气氛下，设置工件极电压为300-400 V，预轰击金属材料；调节工件极电压调至400-550 V，工件极电流控制在2.0-2.5A，调节源极电压为750-900V、源极电流为1.2-1.6A，使工件极达到700-800℃，保温2-4小时；
（3）关闭源极电源，停止通入氧气，调整氩气压为10-25 Pa，将工件极电压降到200-300 V，微辉保护降温；停止通入氩气，关闭工件极电源，将炉内抽到真空度为1-5×10-4Pa，冷却到室温，出炉。
6.根据权利要求5所述金属材料表面的绝缘涂层的制备方法，其特征在于所述金属材料为片状。
7.根据权利要求6所述金属材料表面的绝缘涂层的制备方法，其特征在于所述金属材料预处理后作为工件极；所述金属材料的预处理方法为：将金属材料采用砂纸进行打磨，然后用金刚石研磨膏进行抛光处理，最后用丙酮超声清洗。
8.根据权利要求7所述金属材料表面的绝缘涂层的制备方法，其特征在于步骤（2）中炉内气体压强为35-40Pa，氩气和氧气的压强比为15-20：1。
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