CN107299316A - 一种在锆合金表面制备非晶纳米晶涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在锆合金表面制备非晶纳米晶涂层的方法，该方法通过选取一定原子比例的靶材(Zr75Cu25)，采用单靶磁控溅射在基体上直接制备出非晶相和纳米晶相均匀共存的非晶纳米晶复合涂层。本发明制备的非晶纳米晶复合涂层组织均匀、致密，涂层和基体结合良好，结合处没有孔隙和裂纹。此外本发明制备的涂层具有优异的耐蚀抗磨性能，该涂层可用作核反应堆结构材料和化工零件的保护涂层。

Description

一种在锆合金表面制备非晶纳米晶涂层的方法
技术领域
本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种在锆合金表面制备非晶纳米晶涂层的方法。
背景技术
锆合金以突出的核性能、良好的机械性能和耐腐蚀性能被广泛应用于核反应堆结构材料和化工耐腐蚀设备。但随着新型核电冷却堆的提出与设计，核燃料燃耗不断加深，反应堆内有着更高的中子通量，其工况条件更加恶劣。因此，从满足工业应用的角度有效地提高锆合金的防腐耐磨性能，成为锆合金材料应用中需要解决的难题。
目前，锆合金常采用的表面防护主要是通过微弧氧化、阳极氧化、高压釜预生膜技术制备氧化锆薄膜。但生产周期长，生产效率低，成本过高。另外，由于氧化锆薄膜与锆合金的热膨胀系数的差异，在实际应用中容易脱落。
非晶纳米晶作为一种新型的材料，有非晶相和纳米晶相混合组成。纳米晶结构具有高强度，可以直接提高材料本身的耐磨损性能，而非晶相由于其没有易被腐蚀的晶界，从而可以提高材料的抗腐蚀性能。将非晶化技术与纳米化技术相结合，制备防腐耐蚀综合性能优异的非晶纳米晶涂层具有广阔应用前景。
然而，目前制备非晶纳米晶材料主要是通过对非晶材料进行退火晶化、机械晶化等。但这些方法操作复杂，生产周期长，效率低，成本高。因此发明一种简单可行的非晶纳米晶制备方法，有利于非晶纳米晶材料的发展和应用。本发明就是利用锆铜合金靶单靶溅射制备非晶纳米晶复合涂层。这是一种低成本，工艺可控性强，且易于工业化规模生产的ZrCu非晶态纳米晶涂层的制备方法，且涂层结合性强，组织均匀致密，具有优异的防腐耐磨性能，对基体材料起到表面保护的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用单靶溅射法制备非晶纳米晶复合涂层的方法。该方法通过选取一定原子比例的靶材(Zr75Cu25)，采用单靶磁控溅射在基体上直接制备出非晶相和纳米晶相均匀共存的非晶纳米晶复合涂层。本发明制备的非晶纳米晶复合涂层组织均匀、致密，涂层和基体结合良好，结合处没有孔隙和裂纹。此外，本发明制备的涂层具有优异的防腐耐磨性能，该涂层可用作核反应堆结构材料和化工零件的保护涂层，提高零件的使用寿命。
本发明提供的技术方案是：
一种在锆合金表面制备非晶纳米晶涂层的方法，包括以下步骤：
1)靶材选取
选取锆-铜合金靶，或者高纯铜靶、高纯锆靶作为溅射靶，Zr:Cu的原子比为75:25，将靶材放置于磁控溅射室；
2)衬底处理
将表面抛光的纯锆基体依次用丙酮、酒精和去离子水超声处理20～30分钟，自然晾干，将处理后的锆片置于磁控溅射真空室内的样品台上，准备镀膜；
3)制备ZrCu非晶纳米晶复合涂层
首先将真空室的气压抽至5×10-4Pa，然后通入80sccm的高纯氩气至真空室内，调节真空度至0.35Pa；开启偏压电源，对步骤2)处理过的锆基体表面进行偏压清洗10～20分钟；随后关闭偏压电源，开启装有合金靶的溅射源，并通过调节电流来改变溅射功率控制溅射速率，通过改变溅射时间控制沉积涂层的厚度，最后制备出一定厚度的非晶纳米晶涂层。
进一步的，步骤3)中，负偏压为300V；合金靶的溅射功率为80W，选用直流脉冲电源，电压为340V；基体与靶材的距离为90mm。
步骤3)中，溅射时间为20-60min。
优选的，步骤3)中，溅射时间为40min。
本发明提供了利用上述方法制备的ZrCu非晶纳米晶复合涂层，其中，非晶相为ZrCu二元合金，纳米晶为Zr相。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)利用单靶磁控溅射制备出非晶纳米晶复合涂层。涂层组织均匀、致密，涂层和基体结合良好，结合处没有孔隙和裂纹。
(2)单靶溅射制备出非晶相和纳米晶相均匀共存的非晶纳米晶复合涂层，纳米晶尺寸为5～10nm，经分析为α-Zr纳米晶相。
(3)制备的非晶纳米晶涂层兼具抗腐蚀与耐磨损性能。相比非晶具有更好的耐磨性，相比纳米晶具有更好的抗蚀性。
(4)单靶溅射工艺简单、可控性强，可重复性强，成本低，效率高，且易于实现工业化生产。
附图说明
图1是Zr75Cu25非晶纳米晶涂层XRD分析图。
图2是溅射时间为40分钟80W(实施例3)的扫描电镜图，可以看出薄膜的厚度大致为1.09μm,且具有很好的平整度。
图3是非晶纳米晶涂层的界面TEM图和电子衍射花样图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
制备非晶纳米晶涂层具体包括以下步骤：
1)靶材选取
锆-铜合金靶(Zr:Cu＝75:25(原子比))，将靶材放置于磁控溅射室；
2)衬底处理
将表面抛光的纯锆基体依次用丙酮、酒精和去离子水超声处理20～30分钟，自然晾干；将处理后的锆片置于磁控溅射真空室内的样品台上，准备镀膜；
3)制备ZrCu非晶纳米晶复合涂层
首先将真空室的气压抽至5×10-4Pa，然后通入80sccm的高纯氩气至真空室内，调节真空度至0.35Pa。开启偏压电源，对步骤二处理过的锆基体表面进行偏压清洗15分钟，随后关闭偏压电源，开启装有合金靶的溅射源，并通过调节电流来改变溅射功率控制溅射速率，通过改变溅射时间控制沉积涂层的厚度，最后制备出一定厚度的非晶纳米晶涂层。
其中溅射温度为室温；基体与靶材的距离为90mm；负偏压300V；合金靶选用直流脉冲电源，溅射功率80W，溅射电压340W，溅射时间20分钟。
制备涂层的厚度为760nm
实施例2
本实施中步骤3)的溅射时间是30分钟，其他实施条件和实施例1相同，制备的ZrCu非晶纳米晶复合涂层厚度大约980nm。
实施例3
本实施中步骤3)的溅射时间是40分钟，其他实施条件和实施例1相同，制得的ZrCu非晶纳米晶复合涂层厚度大约1090nm。实验证明在溅射40分钟制备的涂层与基体的结合力更强，涂层的防腐耐磨性能更优异。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种在锆合金表面制备非晶纳米晶涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)靶材选取
选取锆-铜合金靶，或者高纯铜靶、高纯锆靶作为溅射靶，Zr:Cu的原子比为75:25，将靶材放置于磁控溅射室；
2)衬底处理
将表面抛光的纯锆基体依次用丙酮、酒精和去离子水超声处理20～30分钟，自然晾干，将处理后的锆片置于磁控溅射真空室内的样品台上，准备镀膜；
3)制备ZrCu非晶纳米晶复合涂层
首先将真空室的气压抽至5×10-4Pa，然后通入80sccm的高纯氩气至真空室内，调节真空度至0.35Pa；开启偏压电源，对步骤2)处理过的锆基体表面进行偏压清洗10～20分钟；随后关闭偏压电源，开启装有合金靶的溅射源，并通过调节电流来改变溅射功率控制溅射速率，通过改变溅射时间控制沉积涂层的厚度，最后制备出一定厚度的非晶纳米晶涂层。
2.根据权利要求1所述的在锆合金表面制备非晶纳米晶涂层的方法，其特征在于：步骤3)中，负偏压为300V；合金靶的溅射功率为80W，选用直流脉冲电源，电压为340V；基体与靶材的距离为90mm。
3.根据权利要求1所述的在锆合金表面制备非晶纳米晶涂层的方法，其特征在于：步骤3)中，溅射时间为20-60min。
4.根据权利要求1所述的在锆合金表面制备非晶纳米晶涂层的方法，其特征在于：步骤3)中，溅射时间为40min。
5.权利要求1所述方法制备的ZrCu非晶纳米晶复合涂层，其特征在于：非晶相为ZrCu二元合金，纳米晶为Zr相。
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