CN118086844A - 一种磁控溅射制备铬酸镧涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SOFC连接体LaCrO3涂层的制作方法。制备方法步骤包括：1)基体预处理；2)溅射沉积获得LaCr涂层；3)热转化，获得LaCrO3涂层。该方法具有溅射速率稳定，沉积速率快，操作工艺简单等众多特点；所制备的涂层结构致密，并且和基体的结合力良好；热转化形成的LaCrO3质地均匀能够有效阻碍基体中的Cr向外扩散，并降低Cr2O3膜的生长速率，并且在长期高温氧化作用下具有优良的导电性能；在稀土钙钛矿领域，为SOFC连接体涂层材料的选择打开了崭新的大门。
Description
技术领域：
本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种具有LaCrO3涂层的固体氧化物燃料电池金属连接体及其制备方法。
技术背景：
固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种可以将燃料中的化学能直接转化为电能的全固态发电装置，凭借发电效率高、清洁高效以及燃料选择灵活等优点，成为目前最具竞争力的绿色能源。其中连接体是影响固体氧化物燃料电池整体性能的关键部件之一。随着阳极支撑以及电解质薄膜化技术的发展，SOFC的工作温度降低到600～800℃，从而使金属代替陶瓷材料用作连接体成为可能。铁素体不锈钢由于具有与SOFC其他组元匹配的热膨胀系数，良好的抗高温氧化性能，且成本低廉，被广泛应用于金属连接体材料。
尽管铁素体不锈钢综合性能优异，但应用过程中仍然存在高温抗氧化力不足以及Cr挥发导致阴极Cr中毒等问题。在连接体表面制备保护性的导电涂层可以抑制Cr挥发，同时提高不锈钢基体的抗高温氧化性能。适用于SOFC铁素体不锈钢连接体的涂层材料目前主要包括稀土钙钛矿型、活性元素氧化物型、氮化物型和尖晶石型，其中LaCrO3材料在SOFC氧化和还原气氛中均表现出良好的机械性能和导电性，以及化学稳定性。曾广泛的应用于传统SOFC的高工作温度，但是其加工困难成本高。致密的LaCrO3涂层具有高导电性，抗氧化性和与其他组员相匹配的CTE，因此可以将其应用于不锈钢连接体的保护涂层。
不锈钢表面制备LaCrO3涂层的主要方法有：电镀法、溶胶-凝胶法、料浆法、溅射镀膜法等。电镀法获得的LaCrO3涂层容易收缩开裂很难形成连续的涂层；溶胶-凝胶法和料浆法所形成的LaCrO3涂层疏松多孔，与基体结合力差，且存在对复杂形状的基体涂覆的涂层不均匀问题；而溅射镀膜技术可实现薄膜的大面积、快速沉积，制备的膜层气孔少，与基体之间粘附性好，并且膜层成分和厚度可控。
发明内容
为了克服上述技术的不足,本发明的目的在于提供一种LaCrO3涂层及其制备方法。
具体技术方案如下：
1.所述的LaCr涂层的厚度为2～3μm。
2.一种LaCrO3涂层的制备方法，步骤如下：
1)预处理：依次用240#、400#、600#SiC水磨砂纸打磨含Cr铁素体不锈钢基体表面、并进行磨棱和倒角处理；打磨完毕后，在丙酮中超声清洗10～15min；结束后，烘干样品，使用二氧化硅砂粒进行喷砂，压缩空气的压强范围为0.2～0.5MPa；基体喷砂后，再次在丙酮中超声清洗10～15min后，取出烘干；
2)预溅射：预溅射10～20min，除去靶材表面的氧化物和其它杂质，保证溅射的稳定性和涂层的质量；
3)溅射沉积制备LaCr合金：靶材为相同尺寸的四块La和两块Cr金属板紧密焊接在铜板上，溅射沉积30min，在样品上制得LaCr涂层；
4)热转化，获得LaCrO3涂层：随后将溅射沉积的样品置于800℃～870℃箱式电阻炉中氧化，获得LaCrO3涂层。
所述的步骤1中用丙酮超声清洗的时间均为10～15min，超声功率为80～100w。基体中Cr：16～25mass％。
所述的步骤2中的靶基距为8cm。先打开机械泵，预抽至5Pa左右，再开启扩散泵精抽至真空为5×10-3Pa左右。
所述的步骤3中溅射电流3.0A，溅射压强0.1～0.15Pa，溅射温度200℃，转架转速为40～60r/min，真空室温度降到70℃以下时进行取样。
本发明的有益效果在于:
本发明方法操作工艺简单易行,绿色环保；溅射速率稳定,能够制备厚度均匀的SOFC连接体的LaCr涂层,且可以通过控制溅射时间来控制涂层的厚度；
制备成的涂层结构致密，与基体结合紧密；热转化形成的LaCrO3涂层，有效的阻碍了基体Cr的外扩散；显著提高了基体在高温氧化条件下的抗氧化性能和导电性，可应用于固体氧化物燃料电池连接体涂层材料。
本发明的实施例如下：
实施例1:本实施例以SUS430不锈钢为基体(Cr:18mass％)
该实施列采用本发明中所提到的直流磁控溅射的方法，成功制备出了LaCr涂层材料。
该LaCrO3涂层的制备方法，其步骤如下：
1)预处理：依次用240#、400#、600#SiC水磨砂纸打磨含Cr铁素体不锈钢基体表面、并进行磨棱和倒角处理；在丙酮中超声清洗时间为10min，超声功率为80w，取出晾干后，使用二氧化硅砂粒进行喷砂，压缩空气的压强范围为0.3MPa；基体喷砂后，在丙酮中超声清洗时间为10min，超声功率为80w；
2)预溅射：靶基距为8cm。先打开机械泵，预抽至5Pa左右，再开启扩散泵精抽至真空为5×10-3Pa左右，进行15min的预溅射，以除去靶材表面的氧化物和其它杂质，以保证溅射的稳定性和涂层的质量；
3)溅射沉积制备LaCr涂层：设置转架转速为40r/min，靶材为相同尺寸的四块La和两块Cr金属板紧密焊接在铜板上，溅射电流3.0A，溅射压强0.15Pa，溅射温度200℃，溅射沉积30min，在样品上制得LaCr涂层。真空室温度降到70℃以下时进行取样；
4)热转化，获得LaCrO3涂层：随后将溅射沉积的样品置800℃箱式电阻炉中氧化，获得LaCrO3涂层。
附图说明
图1是按照实施例1制备得到的不锈钢基体沉积LaCr涂层样品的断面形貌。
图2是按照实施例1制备得到的不锈钢基体沉积LaCr涂层样品在800℃空气中氧化60min断面形貌。
图3是按照实施例1制备得到的不锈钢基体沉积LaCr涂层样品在800℃空气中氧化5h断面形貌。
图4是按照实施例1制备得到的不锈钢基体沉积LaCr涂层样品在800℃空气中氧化10h断面形貌。
图5是按照实施例1制备得到的不锈钢基体沉积LaCr涂层样品在800℃空气中氧化20h断面形貌。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的实施例如下：
实施例2:本实施例以SUS430不锈钢为基体(Cr:20mass％)
该实施列采用本发明中所提到的直流磁控溅射的方法，成功制备出了LaCr涂层材料。
该LaCrO3涂层的制备方法，其步骤如下：
1)预处理：依次用240#、400#、600#SiC水磨砂纸打磨含Cr铁素体不锈钢基体表面、并进行磨棱和倒角处理；在丙酮中超声清洗时间为12min，超声功率为90w，取出晾干后，使用二氧化硅砂粒进行喷砂，压缩空气的压强范围为0.3MPa；基体喷砂后，在丙酮中超声清洗时间为12min,超声功率为90w；
2)预溅射：靶基距为8cm。先打开机械泵，预抽至5Pa左右，再开启扩散泵精抽至真空为5×10-3Pa左右，进行15min的预溅射，以除去靶材表面的氧化物和其它杂质，以保证溅射的稳定性和涂层的质量；
3)溅射沉积制备中熵合金：设置转架转速为50r/min，打开金属挡板，以中熵合金靶材为阴极，基体为阳极，溅射电流3.0A，溅射压强0.15Pa，溅射温度200℃，溅射沉积20min，在样品上制得LaCr涂层。真空室温度降到70℃以下时进行取样；
4)热转化，获得LaCrO3涂层：随后将溅射沉积的样品置870℃箱式电阻炉中氧化，获得LaCrO3涂层。
本发明的实施例如下：
实施例3:本实施例以SUS430不锈钢为基体(Cr:22mass％)
该实施列采用本发明中所提到的直流磁控溅射的方法，成功制备出了LaCr涂层材料。
该LaCrO3涂层的制备方法，其步骤如下：
1)预处理：依次用240#、400#、600#SiC水磨砂纸打磨含Cr铁素体不锈钢基体表面、并进行磨棱和倒角处理；在丙酮中超声清洗时间为15min，超声功率为100w，取出晾干后，使用二氧化硅砂粒进行喷砂，压缩空气的压强范围为0.3MPa；基体喷砂后，在丙酮中超声清洗时间为15min，超声功率为100w；
2)预溅射：靶基距为8cm。先打开机械泵，预抽至5Pa左右，再开启扩散泵精抽至真空为5×10-3Pa左右，进行20min的预溅射，以除去靶材表面的氧化物和其它杂质，以保证溅射的稳定性和涂层的质量；
3)溅射沉积制备中熵合金：设置转架转速为60r/min，打开金属挡板，以中熵合金靶材为阴极，基体为阳极，溅射电流3.0A，溅射压强0.15Pa，溅射温度200℃，溅射沉积15min，在样品上制得LaCr涂层，真空室温度降到70℃以下时进行取样；
4)热转化，获得LaCrO3涂层：随后将溅射沉积的样品置850℃箱式电阻炉中氧化，获得LaCrO3涂层。
该发明制备的稀土钙钛矿涂层结构致密，与基体结合力好，并能有效抑制基体Cr的外扩散，且抗氧化性能及导电性能优良，满足SOFC连接体涂层的要求，上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于制备LaCrO3涂层的方法，其特征在于：所述方法具体包含以下步骤：
1)预处理：依次用240#、400#、600#SiC水磨砂纸打磨含Cr铁素体不锈钢基体表面、并进行磨棱和倒角处理；打磨完毕后，在丙酮中超声清洗10～15min；结束后，烘干样品，使用二氧化硅砂粒进行喷砂，压缩空气的压强范围为0.2～0.5MPa；基体喷砂后，再次在丙酮中超声清洗10～15min后，取出烘干；
2)预溅射：预溅射10～20min，除去靶材表面的氧化物和其它杂质，保证溅射的稳定性和涂层的质量；
3)溅射沉积制备合金涂层：以LaCr为靶材，溅射沉积30min，获得LaCr涂层；
4)热转化制备LaCrO3涂层：将溅射沉积后的样品置于800℃箱式电阻炉中进行氧化，获得LaCrO3涂层。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于：(所述的步骤1)中所述的基体中Cr：16～25mass％。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于：(所述的步骤2)中的靶材为相同尺寸的四块La和两块Cr金属板紧密焊接在铜板上。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于：(所述的步骤2)中的溅射参数为：溅射电流3.0A，溅射压强0.1～0.15Pa，溅射温度200℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:(所述的步骤3)中溅射获得的LaCr涂层厚度约为2μm。
6.根据权利要求1所述的一种磁控溅射制备的LaCr涂层，其特征在于：所述的LaCr涂层可以应用于固体氧化物燃料电池连接体涂层材料。
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