本发明专利技术公开了一种基于Cr2O3模板低温制备Zr掺杂α‑Al2O3纳米多层阻氚涂层工艺。本发明专利技术采用射频反应磁控溅射技术，先制备一层Cr2O3作为模板层，随后利用模板效应再制备一层Zr掺杂α‑Al2O3，重复上述步骤多步沉积获得Zr掺杂α‑Al2O3/Cr2O3纳米多层阻氚涂层：预抽真空度＜7.0×10‑4 Pa，气氛中氩气/氧气的流量比为9:1~7:1，溅射功率为100~150 W。本发明专利技术的优点在于能在400℃温度下制备Zr掺杂α‑Al2O3/Cr2O3纳米多层阻氚涂层，并通过组织和结构调控设计使其具有优异的抗辐照性能、热兼容性和阻氚渗透性能。
A Cr2O3 template was prepared based on low temperature alpha Zr doped Al2O3 nano multilayer tritium Technology
The invention discloses a low temperature Cr2O3 template was prepared based on Zr doped Al2O3 nano multilayer alpha tritium technology. The invention adopts the RF magnetron sputtering to process a layer of Cr2O3 as the template layer, then use the template effect of preparing a layer of Zr doped alpha Al2O3, repeat the above steps of multi step deposition of Zr doped Al2O3/Cr2O3 nano multilayer alpha tritium: forvacuum degree < 7 * 10 4 Pa. In an atmosphere of argon / oxygen flow ratio is 9:1~7:1, the sputtering power is 100~150 W. The invention can prepare Zr doped Al2O3/Cr2O3 nano multilayer alpha tritium at the temperature of 400 DEG C, and through the organization and structure control design makes it has excellent anti irradiation properties, thermal compatibility and tritium permeation properties.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于阻氚渗透涂层
，涉及一种基于Cr2O3模板低温制备Zr掺杂α-Al2O3纳米多层阻氚涂层工艺。
技术介绍
聚变能是未来能源的长期解决方案之一。而氚是核聚变的主要原料，其具有放射性和较强的活动性，能在大多数金属材料中溶解、扩散和渗透，并与之发生化学反应形成脆性氢化物，且氚自衰变所致氦积累将极大弱化结构材料的性能甚至酿成重大核事故，见文献[R.A.Causey,R.A.Karnesky,C.SanMarchi,Compr.Nucl.Mater.,2012;pp.511–549]。因此，减少乃至阻止氚的渗透是关系到公众安全和确保国际热核聚变实验堆（ITER）长期有效运行的关键难点问题之一。经过多年的研究，目前世界上公认比较可行的方案是在金属结构材料表面覆盖防氚渗透涂层（TPB，TritiumPermeationBarrier）。该方案既可抑制氚的渗透，同时又不牺牲结构材料的整体性能，见文献[A.Perujo,K.S.Forcey,FusionEng.Des.,1995;28:252]。氧化物陶瓷具有高熔点，稳定的化学性质和良好的阻氚性能，已经受到了广泛地关注。目前，被研究用作阻氚渗透涂层的氧化物陶瓷主要包括Cr2O3、Y2O3、Er2O3、Al2O3、TiO2等。其中，Al2O3的阻氚因子（PRF，TritiumPermeationreduction）高达100~10000，是目前阻氚渗透性能最好的涂层材料，见文献[张桂凯,向鑫,杨飞龙,核化学与放射化学,2015;37:310]。Al2O3有很多种相结构，其中又以α-Al2O3的高温化学稳定性和阻氚渗透性能最好，但其形成温度高达1200℃，远高于金属结构材料的相变温度，因此无法通过常规方法制备α-Al2O3。有研究表明以Cr2O3为模板，利用模板效应可以在400℃下通过反应溅射制备α-Al2O3，见文献[P.Jin,S.Nakao,S.X.Wang,L.M.Wang,Appl.Phys.Lett.,2003;82:1024]。尽管该方法解决了α-Al2O3低温制备的难题，但是α-Al2O3离实际应用还有诸多问题需要解决。首先，α-Al2O3与结构材料的热膨胀系数不匹配。这意味着在堆内温度场的作用下，α-Al2O3可能从结构材料上剥落，从而失效。其次，已有报道利用高通量（中子）反应堆模拟阻氚渗透涂层环境，实验结果表明辐照引入的大量缺陷将加强氚的渗透。如Conrad等人的研究结果表明，仅0.4~0.5dpa剂量中子辐照，TiC/Al2O3涂层的有效PRF锐减至3，Al基涂层（包埋法）的有效PRF也降至15~80，见文献[R.Conrad,M.A.Fütterer,L.Giancarli,R.May,A.Perujo,T.Sample,J.Nucl.Mater.,1994;212:998]。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述α-Al2O3用作阻氚渗透涂层所面临的不足，提供一种基于Cr2O3模板低温制备Zr掺杂α-Al2O3纳米多层阻氚涂层工艺，该方法不仅能在400℃下简便有效地制备致密性较好的Zr掺杂α-Al2O3/Cr2O3纳米多层阻氚渗透涂层，而且通过组织和结构调控设计使其具有优异的抗辐照性能、热兼容性和阻氚渗透性能，为当今阻氚渗透涂层的设计和制备提供了一种新的技术途径。为达到上述目的，本专利技术基本思想是：Bai等人研究表明，界面能够捕获间隙原子并作为一个源发射间隙原子以填充材料中的空位，从而达到修复辐照损伤的效果，见文献[X.Bai,A.Voter,R.Hoagland,Science,2010;327:1631]。鉴于此，本专利技术采用α-Al2O3/Cr2O3交替纳米多层复合结构，并通过优化沉积α-Al2O3和Cr2O3层的厚度比达到最佳性能：一方面，交替多层结构能够强化模板效应，且Cr2O3与结构材料热膨胀系数更接近，能起到热过渡作用，缓解α-Al2O3与结构材料热膨胀系数不匹配问题；另一方面，纳米多层结构含有大量界面能减少辐照损伤，提高阻氚渗透涂层耐用性。此外，由于ZrO2活性低且热膨胀系数接近结构材料，本专利技术向α-Al2O3掺入部分Zr以降低涂层溅射产额，减少对堆内等离子体的污染，同时缓解α-Al2O3与结构材料热膨胀系数不匹配问题。本专利技术提供的技术方案是：提供一种基于Cr2O3模板低温制备Zr掺杂α-Al2O3纳米多层阻氚涂层制备方法，其特征在于包含以下步骤：a、清洗衬底材料：用砂纸对低活化马氏体不锈钢基体进行打磨去除表面氧化膜，随后依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行30分钟超声波清洗去除表面油脂，干燥后放入真空室内，抽真空度＜7.0×10-4Pa；b、沉积前对衬底的处理：保持真空室真空＜7.0×10-4Pa条件下，采用偏压反溅射清洗10分钟、预溅射清洗5分钟，分别去除衬底和靶材表面杂质；反溅射功率为100W；预溅射功率为100W；反溅射偏压和预溅射偏压分别为-500V、-150V；反溅射和预溅射工作气体均为Ar；工作真空度为3.0Pa；c、沉积Cr2O3模板层：采用射频反应磁控溅射技术，Ar和O2气充分混合后通入溅射腔室内，Ar/O2流量比为9:1~7:1；溅射工作气压为0.2~0.4Pa，在步骤b得到的基体上使用Cr靶反应溅射沉积10~30分钟；沉积温度为400℃；磁控Cr靶溅射功率为100~150W；偏压为-50~-100V；d、沉积Zr掺杂α-Al2O3层：不破坏真空条件，调节Ar/O2流量比为9:1~7:1，溅射工作气压为0.2~0.4Pa，在步骤c得到的Cr2O3薄膜上通过反应溅射Al（Zr，8at.%）复合靶体，沉积30~50分钟；基底温度为400℃；磁控Al靶溅射功率为100~150W；偏压为-50~-100V；e、重复上述c、d步骤4～8次，即能获得Zr掺杂α-Al2O3/Cr2O3纳米多层阻氚涂层。所述磁控Cr靶的纯度为99.99%，直径55mm；磁控Al（Zr，8at.%）复合靶纯度为99.99%，直径为55mm。沉积过程中，控制基底温度不低于400℃，样品台旋转速度为25~35rpm。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：1、本专利技术能在较低温度（400℃）下制备Zr掺杂α-Al2O3/Cr2O3交替纳米多层阻氚涂层；2、本专利技术能缓解α-Al2O3与结构材料热膨胀系数不兼容问题；3、本专利技术采用纳米多层复合结构，丰富的界面能修复涂层的辐照损伤，提高涂层抗辐照性能；4、本专利技术采用的是物理气相共溅射技术，具有技术成熟，成本低，工艺稳定性强，制备的薄膜致密性较好等优点。附图说明图1为Zr掺杂α-Al2O3/Cr2O3纳米多层薄膜沉积态和注入态XRD衍射谱。图2为Zr掺杂α-Al2O3/Cr2O3纳米多层薄膜注入态GIXRD（3°）衍射谱。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术进行详细的说明，但不意味着对本专利技术保护内容的任何限定。本专利技术提供一种基于Cr2O3模板低温制备Zr掺杂α-Al2O3纳米多层阻氚涂层工艺，先制备一层Cr2O3用作模板层，随后利用模板效应再制备一层Zr掺杂α-Al2O3，重复上述步骤多次获得Zr掺杂α-Al2O3/Cr2O3纳米多层膜。所用磁控Cr靶、磁控Al（Z本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于Cr2O3模板低温制备Zr掺杂α‑Al2O3纳米多层阻氚涂层工艺，其特征在于包含以下步骤：a、清洗衬底材料：用砂纸对低活化马氏体不锈钢基体进行打磨去除表面氧化膜，随后依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行30分钟超声波清洗去除表面油脂，干燥后放入真空室内，抽真空度＜7.0×10‑4 Pa；b、沉积前对衬底的处理：保持真空室真空＜7.0×10‑4 Pa条件下，采用偏压反溅射清洗10分钟、预溅射清洗5分钟，分别去除衬底和靶材表面杂质；反溅射功率为100 W；预溅射功率为100 W；反溅射偏压和预溅射偏压分别为‑500 V、‑150 V；反溅射和预溅射工作气体均为Ar；工作真空度为3.0 Pa；c、沉积Cr2O3模板层：采用射频反应磁控溅射技术， Ar和O2气充分混合后通入溅射腔室内，Ar/O2流量比为9:1~7:1；溅射工作气压为0.2~0.4 Pa，在步骤b得到的基体上使用Cr靶反应溅射沉积10~30分钟；沉积温度为400 ℃；磁控Cr靶溅射功率为100~150 W；偏压为‑50~‑100 V；d、沉积Zr掺杂α‑Al2O3层：不破坏真空条件，调节 Ar/O2流量比为9:1~7:1，溅射工作气压为0.2~0.4 Pa，在步骤c得到的Cr2O3薄膜上通过反应溅射Al（Zr，8 at.%）复合靶体，沉积30~50分钟；基底温度为400 ℃；磁控Al靶溅射功率为100~150 W；偏压为‑50~‑100 V；e、重复上述c、d步骤4～8次，即能获得Zr掺杂α‑Al2O3/Cr2O3纳米多层阻氚涂层。...
【技术特征摘要】
1.一种基于Cr2O3模板低温制备Zr掺杂α-Al2O3纳米多层阻氚涂层工艺，其特征在于包含以下步骤：a、清洗衬底材料：用砂纸对低活化马氏体不锈钢基体进行打磨去除表面氧化膜，随后依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行30分钟超声波清洗去除表面油脂，干燥后放入真空室内，抽真空度＜7.0×10-4Pa；b、沉积前对衬底的处理：保持真空室真空＜7.0×10-4Pa条件下，采用偏压反溅射清洗10分钟、预溅射清洗5分钟，分别去除衬底和靶材表面杂质；反溅射功率为100W；预溅射功率为100W；反溅射偏压和预溅射偏压分别为-500V、-150V；反溅射和预溅射工作气体均为Ar；工作真空度为3.0Pa；c、沉积Cr2O3模板层：采用射频反应磁控溅射技术，Ar和O2气充分混合后通入溅射腔室内，Ar/O2流量比为9:1~7:1；溅射工作气压为0.2~0.4Pa，在步骤b得到的基体上使用Cr靶反应溅射沉积10~30分钟；沉积温度为400℃；磁控Cr靶溅射功率为100~150W；偏压为-50~-100V；d、沉积Zr掺杂α-Al2O3层：...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘波，邹建雄，林黎蔚，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51
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