一种不锈钢用碳化硅阻氢渗透涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种不锈钢用碳化硅阻氢渗透涂层，包括从不锈钢基体向上逐层布置的过渡层、储H缓冲层、阻氢层；所述过渡层由金属钛层和TiN层组成，所述储H缓冲层为非晶态的SixC1‑x渐变层，1＞x≥0.5，所述阻氢层为SiC。本发明专利技术还提出所述碳化硅阻氢渗透涂层的制备方法。本发明专利技术提出用储H缓冲层与阻H涂层相结合，制备基体/过渡层/储H缓冲层/SiC复合结构的防氢渗透性涂层。在抗辐照的阻H涂层SiC薄膜基础上，采用气相沉积技术制备储H缓冲层SixC1‑x渐变层，利用SixC1‑x渐变层中存在的大量捕捉氢能力极强的C‑和Si‑悬键，优化基体/过渡层/储H缓冲层/SiC复合结构的防氢渗透性能。

A SiC hydrogen resistant permeable coating for stainless steel and its preparation method

The invention provides a stainless steel coating with silicon carbide hydrogen permeation barrier layer, including the layout from the stainless steel substrate to the storage layer, H buffer layer and a hydrogen barrier layer; the transition layer is composed of metal titanium layer and the TiN layer, the buffer layer for SixC1 storage H x gradient layer of amorphous. 1, x = 0.5, the hydrogen barrier layer is SiC. The invention also presents the preparation method of the silicon carbide hydrogen resistance permeable coating. The invention proposes to use the combination of the H buffer layer and the resistance H coating to prepare the anti hydrogen permeable coating for the matrix / transition layer / H buffer layer /SiC composite structure. In the anti irradiation resistance of H coating SiC film on the basis of the preparation technology of H gas storage buffer layer SixC1 x gradient layer deposition, the use of a large number of existing SixC1 x capture ability of hydrogen gradient layer in the strong C and Si dangling bonds, optimization of matrix / transition layer / storage H buffer layer /SiC composite structure for preventing hydrogen permeation.

【技术实现步骤摘要】
一种不锈钢用碳化硅阻氢渗透涂层及其制备方法
本专利技术属于对金属材料的镀覆领域，具体涉及一种溅射有阻氢层的金属材料、及其制备方法。
技术介绍
近年来，针对各种基体材料开发氢渗透阻挡涂层又称阻H涂层，试图阻止氢及其同位素的渗透泄漏，国内外已开展了大量研究，主要是开发各种阻氢复合材料和涂层技术。目前常用阻H涂层主要分为以下几类。氧化物涂层:具有熔点高、化学性质稳定、制备工艺简单及阻H性能良好等优点，是研究最早的防氢渗透涂层。通过基底表面直接氧化或者涂层氧化即可生成，包括Al2O3，Cr2O3，Y2O3，SiO2，Er2O3等。通常单层氧化物阻H涂层多为Cr2O3，Al2O3，而SiO2常和其它涂层复合使用。Y2O3涂层氚的渗透率能下降两个数量级，且多与其它涂层复合使用。日本原子能研究所采用化学密实化涂层技术(CDC)在316不锈钢表面制备Cr2O3-SiO2陶瓷阻氢涂层，氚渗透阻挡因子(PRF)大于100(TakayukiTerai,ToshiakiYoneoka,HimhisaTanaka,Tritiumpermeationthroughausteniticstainlesssteelwithchemicallydensifiedcoatingasatritiumpermeationbarrier,JournalofNuclearMaterials,1994:212/215:976；)。Levchuk等利用PVD法在Eurofer不锈钢表面获得了厚度为微米级的a-Al2O3涂层结果表明在700～800℃时涂层的PRF为1000(SerraE,CalzaBiniA,CosoliG,Hydrogenpermeationmeasurementsonalumina,JournaloftheAmericanCeramicSociety,2005,88(1):15)。北京有色金属研究总院李帅等利用MOCVD法在316L不锈钢上分别制备了Al2O3、Y2O3和Cr2O3阻H涂层(无机材料学报，2013年7期李帅,何迪,刘晓鹏,张超,王树茂,于庆河,邱昊辰,蒋利军,316L不锈钢基体氧化铝涂层的氢渗透性能,无机材料学报,2013,28(7)775；)，阻氢性能优异。其中Al2O3涂层在600～700℃时对316L不锈钢的氢渗透阻挡因子(PRF)为59～119。Y2O3涂层在550～700℃时PRF为240-410。Cr2O3涂层在550～600℃时PRF为24～117。Ti基陶瓷涂层具良好的耐腐蚀性和较高的阻H效果。这类涂层主要包括氮化钛、碳化钛和两者的复合或混合涂层，各种钛基陶瓷涂层均可以采用CVD或PVD的方法制备，研究结果表明，Ti基陶瓷涂层在低温下具有很好的阻H性能。山常起等利用PVD法在316L不锈钢基底上制备了厚度为2～5微米的TiC+TiN涂层(C.Q.Shang,A.J.Wu,Y.J.Li,Thebehaviourofdiffusionandpermeationoftritiumthrough316LstainlesssteelwithcoatingofTiCandTiN+TiC,JournalofNuclearMaterials,1992,191-194:221；)，接着利用化学热处理在TiC表面制备了一层CH4阻氢渗透涂层。测试结果表明氢在涂层中的渗透率降低了4-6个数量级。但TiC、TiN和TiC/TiN在450℃温度以上发生氧化难以克服。姚振宇等在TiN+TiC梯度涂层表面增加了一层抗氧化性较高的涂层(SiO2或TiN)以防止TiN+TiC梯度涂层在使用过程中失效(姚振宇,聚变堆包层材料不同涂层的防氚渗透性能研究,中国原子能科学研究院硕士毕业论文，2001)。用PVD法在316L不锈钢基底上制备TiN+TiC+TiN和TiN+TiC+SiO2涂层。涂层厚度分别为2微米和3微米。两种涂层渗透率相对于基底材料分别降低了4～5和4～6个数量级。硅化物涂层主要集中于SiC涂层。SiC是目前研究最多的硅化物阻H渗透涂层，且在工业上已得到应用，原因在于其有极高的硬度和耐磨性能，可以作为超硬涂层使用。SiC高温时首先与氧反应生成一层非常薄的致密SiO2钝化膜，使SiC具有良好的抗高温氧化性能，能够阻止SiC继续氧化。制备SiC涂层通常采用CVD和PVD法。王佩璇等利用离子束辅助沉积法和离子注入法在316L不锈钢上沉积了厚度为2微米的SiC涂层(王佩璇，王宇,史宝贵,不锈钢表面沉积SiC作为氢渗透阻挡层的研究,金属学报,1999,35(6):654；)。涂层使不锈钢基底的的氢渗透率降低了近5个数量级。Chikada等人用射频磁控溅射法在316和F82H不锈钢基底上制备了SiC阻H涂层(ChikadaT,SuzukiA,TeraiT,Deuteriumpermeationandthermalbehaviorsofamorphoussiliconcarbidecoatingsonsteels,Fu-sionEngineeringandDesign,2011,86(9):2192)，研究了SiC涂层的阻H性能和热稳定性。研究结果表明，制备的SiC薄膜为非晶态。在450～550℃范围内，PRF为1000左右。当温度超过600℃时，阻H效果会有所下降，原因是温度过高SiC内部产生微裂纹导致H渗透加剧。中国工程物理研究院采用Er2O3/SiC复合涂层提高316L不锈钢的防H渗透性能，厚度为300nm膜层能够在500℃条件下PRF达到500(姚振宇,严辉,谭利文,韩华，用SiC薄膜作防氚渗透阻挡层的研究，NuclearFusionandPlasmaPhysics,2002,22:65；)。铝化物复合涂层主要包括A1/Fe+Al2O3和AlN涂层，通过在基材金属表面附近造成一个含铝的浓度梯度，形成一个铝基金属间化合物层，由基体金属的铝含量到表面铝含量可以梯度变化为30％-80％Al。由于基体与涂层材料之间热膨胀系数的差异，导致铝化物涂层容易脱落，这是目前面临的技术难题。在冷热变化过程中，热膨胀系数差别越大，产生的应力也就越大。此冷热过程反复循环，应力的作用便会累积并不断增强，有可能产生裂纹，直至涂层脱落。制备A1/Fe+Al2O3阻H涂层的方法有热浸镀、火焰喷涂、真空等离子体喷涂、离子注入、化学气相沉积、磁控溅射、热等静压和包埋渗铝等。Kalin等将Crl8Nil0Ti奥氏体不锈钢放入10％Al+90％Li熔体中在600～800℃温度范围内渗铝5～100h，所得到的涂层具有复杂的金属间化合物多相结构，如FeAl3，FeAl，Fe3Al与NiAl，AlCr2及a-Fe等，厚度因温度和时间不同而异。研究结果表明，两面渗铝的阻挡效果最好，PRF分别为2000和2700(B.A.Kalin,V.L.Yakushin,E.P.Fomina,Tritiumbarrierdevelopmentforaustenitiestainlesssteelbyitsaluminizinginalithiummelt,FusionEngineeringandDesign1998,41:119；)。Fazio等利用大气等离子喷涂法制备了Fe本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不锈钢用碳化硅阻氢渗透涂层，其特征在于，包括从不锈钢基体向上逐层布置的过渡层、储H缓冲层、阻氢层；所述过渡层由金属钛层和TiN层组成，所述储H缓冲层为非晶态的SixC1‑x，1＞x≥0.5，所述阻氢层为SiC；其中，所述过渡层由Ti层和TiN层组成，其中Ti层厚100～300nm、TiN层厚200～500nm，所述储H缓冲层为非晶态的SixC1‑x渐变层，1＞x≥0.5，厚度1～4μm，所述阻氢层厚度为500nm～1μm。

【技术特征摘要】
1.一种不锈钢用碳化硅阻氢渗透涂层，其特征在于，包括从不锈钢基体向上逐层布置的过渡层、储H缓冲层、阻氢层；所述过渡层由金属钛层和TiN层组成，所述储H缓冲层为非晶态的SixC1-x，1＞x≥0.5，所述阻氢层为SiC；其中，所述过渡层由Ti层和TiN层组成，其中Ti层厚100～300nm、TiN层厚200～500nm，所述储H缓冲层为非晶态的SixC1-x渐变层，1＞x≥0.5，厚度1～4μm，所述阻氢层厚度为500nm～1μm。2.根据权利要求1所述的不锈钢用碳化硅阻氢渗透涂层，其特征在于，所述不锈钢基体的材质为316L、304和321中的一种。3.权利要求1或2所述不锈钢用碳化硅阻氢渗透涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1使用磁控溅射的方法制备过渡层Ti/TiN，首先以Ti靶为溅射靶材沉积金属Ti层，先预抽真空至10-5～10-3Pa，通入氩气进行直流溅射，电流为5～8A，工作真空为0.3Pa～0.6Pa，加热温度为150～300℃，靶基距为80～100mm；然后采用中频电源或射频电源溅射TiN层；S2在过渡层上面使用气相沉积法制备储H缓冲层，所述气相沉积法为物理气相沉积法或化学气相沉积法；S3在储H缓冲层上使用气相沉积法制备SiC阻氢层，所述气相沉积法为物理气相沉积法或化学气相沉积法。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述过渡层中TiN层的制备方法为：在金属Ti层上面沉积TiN，先预抽真空至10-5～10-3Pa，通入氩气和氮气，Ar/N2流量比为2～8，采用中频磁控溅射，电流为5～8A，工作真空为0.3Pa～0.6Pa，加热温度为150～300℃，靶基距为80～100mm；或，所述过渡层的制备方法中，TiN层的制备方法为：先预抽真空至10-5～10-3Pa，通入氩气和氮气，Ar/N2流量比为2～8，溅射功率为100～200W，工作真空为0.3Pa～2Pa,加热温...

【专利技术属性】
技术研发人员：张秀廷，刘雪莲，邓宁，陈步亮，
申请(专利权)人：北京天瑞星光热技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11