CN106609353B - 气体脉冲反应溅射法制备Al2O3阻氚涂层的方法 - Google Patents

气体脉冲反应溅射法制备Al2O3阻氚涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种气体脉冲反应溅射法制备Al2O3阻氚涂层的工艺，该工艺包括基片预处理、偏压反溅清洗、采用高真空反应磁控溅射设备在CLF‑1基材表面沉积Al2O3阻氚涂层、退火等步骤，溅射工艺中O2流量周期性变化。本发明提供的方法，操作简单，制得的Al2O3涂层具备多层和成分梯度杂化双相结构，退火后α‑Al2O3更容易成相，CLF‑1基体材料氧化程度显著降低。

Description

气体脉冲反应溅射法制备Al2O3阻氚涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种阻氚涂层的制备方法，特别涉及气体脉冲反应溅射法制备Al2O3阻氚涂层的方法。
背景技术
聚变能在清洁性、安全性和燃料储量丰富性等方面展现出的优势备受瞩目，随着国际热核聚变实验堆(ITER)的建造及相关研究的深入，聚变能走向应用的核心技术载体—包层的结构、材料设计成为研究热点。其中，由于D-T热核反应的重要燃料—氚具有极强的渗透、扩散性，加之高温、高热负荷、辐照等复杂环境，极易导致包层中氚增殖区域结构材料(如低活性铁素体马氏体钢)发生氢损伤，影响材料性能，降低包层在反应堆中的功效；同时昂贵的氚的流失还会对环境及设备造成放射性污染。因此，产氚包层模块结构材料的阻氚渗透问题引起国际关注。
近年，国际上提出在结构材料表面涂覆阻氚渗透涂层(TPB)方法降低氚渗透、扩散。其中，α-Al2O3陶瓷阻挡层由于具有高的渗透减低/下降因子(PRF)、高耐磨性、高熔点、高化学稳定性、优异的力学性能、良好的导热率与电阻率等综合性能从而被认为最具有应用潜力。然而α-Al2O3相形核和长大需要的高温(通常大于1000℃)将引起基体材料机械性能严重下降，同时高温下制备涂层易产生热应力、热裂纹、粗晶等严重影响涂层质量。因此降低稳相α-Al2O3的形成温度、抑制基体氧化，是聚变堆用氧化铝涂层制备技术研究中的重要内容。
物理气相沉积可在较低温度甚至室温下制备涂层，是降低稳态氧化铝相变的有效手段。研究表明，晶界可为稳态氧化铝相形核和长大的过程中的铝和氧的扩散提供更多的通道，有利于氧化铝的形成。多层结构、梯度结构涂层较匀质、单层结构涂层则具有较高的晶界密度。多层涂层还可通过在沉积过程中打乱贯穿基底到涂层的柱状生长、细化涂层晶粒，制得纳米晶结构可大大提升涂层的界面富集程度。梯度涂层则是使涂层与基体的突变界面变成一个平滑、连续过渡的区域，由于成分变化，这个区域里面会存在大量微观界面，同时这种梯度变化还会改善涂层与基体之间热膨胀和晶格的差异性，降低界面与薄膜内应力。因此，多层或梯度结构涂层因可通过界面调制来实现材料结构改性、抗氧化性能提升而备受关注。
反应磁控溅射法可通过控制反应气体工艺参数制备结构及成分不同的多功能涂层，尤其是梯度或多层结构涂层。如可通过改变反应气体O2含量，可制备成分梯度变化的Al2O3涂层；可通过不断交替变换反应气氛(Ar和Ar+O2)制得Al/Al2O3多层结构涂层。然而，目前未有研究将梯度与多层结构融合，制备新型杂化涂层进一步提升涂层性能或寻找材料新特性。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种制备具有多层与梯度杂化结构的Al2O3阻氚涂层制备方法，本工艺操作简单，制得的涂层退火后α-Al2O3更容易成相，基底氧化被抑制。
本发明目的通过气体脉冲反应溅射方法实现，具体步骤如下：
(1)基片预处理
用180#、240#、600#、1000#、1200#水砂纸由粗到细依次打磨CLF-1基片，打磨光滑后依次用1μm金刚石抛光剂、W1抛光粉、W1抛光膏抛光，电解抛光，除油，酸洗，最后用去离子水冲洗干净后吹干待用；除油剂配方组成为碳酸钠160g/L、柠檬酸钠45g/L、活性剂 5g/L、磷酸钠50g/L。
(2)偏压反溅清洗
将真空多功能磁控溅射设备放气至真空腔真空度为大气压，打开真空腔，将步骤(1)处理后的CLF-1圆片置于真空腔样品台上，先机械泵抽低真空，后分子泵抽高真空至真空度为 5×10-4Pa后，偏压反溅清洗，反溅偏压为-800V，工作气体为Ar气，反溅气压为1Pa、清洗时间为10min。
(3)预溅射
将高真空多功能磁控溅射设备的Al靶迅速起辉，溅射功率为100W，起辉后关闭挡板，对靶材预溅射5min。
(4)溅射Al2O3阻氚涂层
调整Al靶溅射功率至100W，溅射气压0.6～0.8Pa，工作气氛为Ar，流量为51～150sccm，反应气体为O2，最大脉冲流量为17～50sccm，Ar/O流量比为3:1，脉冲周期为10～30min，循环次数为5～15次，偏压工作电压-200V，打开高真空多功能磁控溅射设备Al靶挡板后，溅射沉积Al2O3；所述Al靶纯度为99.999％。
(5)涂层退火处理
将带有沉积涂层的CLF-1基片从真空室取出放入退火炉中，在Ar气氛条件下进行退火处理，退火温度为1000℃，升温速率为5℃/min，保温2h，随炉冷却至室温取出。
作为优选方式，所述步骤(4)中O2脉冲周期为20min，循环次数为10次。
所述基体为CLF-1低活性铁素体马氏体钢。
在多层、梯度涂层研究基础上，本发明首次提出利用气体脉冲反应溅射法(RGP)，通过周期性改变O2流量，制得同时具有成分梯度和多层双相杂化结构的新型Al2O3涂层，该结构涂层退火后α-Al2O3更容易成相，基体氧化被抑制。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)可制得同时具有成分梯度及多层双相杂化结构的Al2O3阻氚涂层；
(2)工艺操作简单，仅将反应气体O2流量设置为脉冲周期性变化即可，重复性强；
(3)本发明利用气体脉冲反应溅射制得的Al2O3涂层退火后α-Al2O3更容易成相，在相转变过程中基体材料氧化得到有效抑制。
附图说明
图1是反应气O2脉冲周期性变化示意图；
图2是实施例1制备的Al2O3阻氚涂层的FESEM截面图；
图3是实施例1制备的Al2O3阻氚涂层的能谱分析图；
图4是实施例1制备的Al2O3阻氚涂层退火后的XRD图；
图5是实施例2制备的Al2O3阻氚涂层退火后的XRD图；
具体实施方式：
下列非限制性实施例用于说明本发明。
实施例1：
(1)基片预处理
用180#、240#、600#、1000#、1200#水砂纸由粗到细依次打磨CLF-1基片，打磨光滑后依次用1μm金刚石抛光剂、W1抛光粉、W1抛光膏抛光，电解抛光，除油，酸洗，最后用去离子水冲洗干净后吹干待用；除油剂配方组成为碳酸钠160g/L、柠檬酸钠45g/L、活性剂 5g/L、磷酸钠50g/L。
(2)偏压反溅清洗
将真空多功能磁控溅射设备放气至真空腔真空度为大气压，打开真空腔，将步骤(1)处理后的CLF-1圆片置于真空腔样品台上，先机械泵抽低真空，后分子泵抽高真空至真空度为 5×10-4Pa后，偏压反溅清洗，反溅偏压为-800V，工作气体为Ar气，反溅气压为1Pa、清洗时间为10min。
(3)预溅射
将高真空多功能磁控溅射设备的Al靶迅速起辉，溅射功率为100W，起辉后关闭挡板，对靶材预溅射5min。
(4)溅射Al2O3阻氚涂层
调整Al靶溅射功率至100W，溅射气压0.6～0.8Pa，工作气氛为Ar，流量为51sccm，反应气体为O2，最大脉冲流量为17，Ar/O流量比为3:1，脉冲周期为20，循环次数为10次，偏压工作电压-200V，打开高真空多功能磁控溅射设备Al靶挡板后，溅射沉积Al2O3；所述 Al靶纯度为99.999％。如图1所示，反应气O2脉冲周期性变化示意图。
(5)涂层退火处理
将带有沉积涂层的CLF-1基片从真空室取出放入退火炉中，在Ar气氛条件下进行退火处理，退火温度为1000℃，升温速率为5℃/min，保温2h，随炉冷却至室温取出。用场发射扫描电镜对未退火的Al2O3阻氚涂层进行截面分析，如图2所示，所得涂层具有多层结构；对未退火的Al2O3阻氚涂层截面进行元素线扫描，如图3所示，所得涂层Al、O元素含量随着涂层深度在周期性变化，证明该涂层为成分梯度涂层。结合图2、3综合分析可知，本发明用脉冲气体反应溅射制备的Al2O3阻氚涂层具有多层及成分梯度双相杂化结构。退火后，该杂化Al2O3涂层很容易转变为综合性能更为优异的α-Al2O3相，如图4所示，基体氧化不明显。
实施例2：
(1)基片预处理
用180#、240#、600#、1000#、1200#水砂纸由粗到细依次打磨CLF-1基片，打磨光滑后依次用1μm金刚石抛光剂、W1抛光粉、W1抛光膏抛光，电解抛光，除油，酸洗，最后用去离子水冲洗干净后吹干待用；除油剂配方组成为碳酸钠160g/L、柠檬酸钠45g/L、活性剂 5g/L、磷酸钠50g/L。
(2)偏压反溅清洗
将真空多功能磁控溅射设备放气至真空腔真空度为大气压，打开真空腔，将步骤(1)处理后的CLF-1圆片置于真空腔样品台上，先机械泵抽低真空，后分子泵抽高真空至真空度为 5×10-4Pa后，偏压反溅清洗，反溅偏压为-800V，工作气体为Ar气，反溅气压为1Pa、清洗时间为10min。
(3)预溅射
将高真空多功能磁控溅射设备的Al靶迅速起辉，溅射功率为100W，起辉后关闭挡板，对靶材预溅射5min。
(4)溅射Al2O3阻氚涂层
调整Al靶溅射功率至100W，溅射气压0.6～0.8Pa，工作气氛为Ar，流量为150sccm，反应气体为O2，最大脉冲流量为50，Ar/O流量比为3:1，脉冲周期为20，循环次数为10次，偏压工作电压-200V，打开高真空多功能磁控溅射设备Al靶挡板后，溅射沉积Al2O3；所述 Al靶纯度为99.999％。
(5)涂层退火处理
将带有沉积涂层的CLF-1基片从真空室取出放入退火炉中，在Ar气氛条件下进行退火处理，退火温度为1000℃，升温速率为5℃/min，保温2h，随炉冷却至室温取出。用场发射扫描电镜对未退火的Al2O3阻氚涂层进行截面分析、元素线扫描，分析结果与案例1一致，涂层仍同时具有多层及成分梯度杂化结构。退火后，该杂化Al2O3涂层转变为综合性能更为优异的α-Al2O3相，如图5所示，基体氧化不明显。

Claims (3)

1.气体脉冲反应溅射法制备Al2O3阻氚涂层的方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：
(1)基片预处理
用180#、240#、600#、1000#、1200#水砂纸由粗到细依次打磨CLF-1基片，打磨光滑后依次用1μm金刚石抛光剂、W1抛光粉、W1抛光膏抛光，电解抛光，除油，除锈，最后用去离子水冲洗干净后吹干待用；
(2)偏压反溅清洗
将真空多功能磁控溅射设备放气至真空腔真空度为大气压，打开真空腔，将步骤(1)处理后的CLF-1圆片置于真空腔样品台上，先机械泵抽低真空，后分子泵抽高真空，再偏压反溅清洗；
(3)预溅射
将高真空多功能磁控溅射设备的Al靶迅速起辉，关闭挡板，对靶材预溅射；
(4)溅射Al2O3阻氚涂层
调整Al靶溅射功率至100W，溅射气压0.6～0.8Pa，工作气氛为Ar，反应气体为O2，Ar/O流量比为3:1，偏压工作电压-200V，打开高真空多功能磁控溅射设备Al靶挡板后，溅射沉积Al2O3；所述Al靶纯度为99.999％；
(5)涂层退火处理
将带有沉积涂层的CLF-1基片从真空室取出放入退火炉中，在Ar气氛条件下进行退火处理，退火温度为1000℃，升温速率为5℃/min，保温2h，随炉冷却至室温取出。
2.根据权利要求1中所述的气体脉冲反应溅射法制备Al2O3阻氚涂层的方法，其特征在于：所述步骤(4)中反应气体O2最大脉冲流量为10～50sccm，循环周期为5～30min，循环次数为5～15次。
3.根据权利要求1或2中所述的气体脉冲反应溅射法制备Al2O3阻氚涂层的方法，其特征在于：步骤(1)-(4)所述基体为CLF-1低活性铁素体马氏体钢。
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