一种包含CrN扩散障层的导电复合涂层及制备方法技术

本发明专利技术涉及高温导电防护涂层领域，特别是涉及一种包含CrN扩散障层的导电复合涂层及制备方法。该导电复合涂层包括一个CrN扩散障内层和一个导电的合金热转化外层，制备方法包括三个工序：工序一为CrN扩散障内层的制备，工序二为合金外层的制备，工序三为热处理。本发明专利技术能有效解决合金涂层与基体间的合金元素互扩散问题，改善涂层性能，避免损害基体的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种包含CrN扩散障层的导电复合涂层及制备方法
本专利技术涉及高温导电防护涂层领域，特别是涉及一种一种包含CrN扩散障层的导电复合涂层及制备方法，可用于固体氧化物燃料电池不锈钢连接体导电复合涂层及制备方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池作为一种新型发电装置，具有转化率高、环境友好、燃料适应性广等优点，大力发展必定能有效解决全球能源问题。其中连接体作为关键部件之一，直接影响着整个电池堆的性能及使用寿命。利用铁素体不锈钢作为连接体基体材料，并在其表面制备高温导电防护涂层，如MnCo2O4、Mn1.7Cu1.3O4等尖晶石类涂层，能有效地提高连接体抗高温氧化性，抑制Cr挥发，降低面比电阻，保证燃料电池的长期稳定运行。但是，通过氧化实验发现，合金涂层在热转化过程中与不锈钢基体存在元素互扩散问题，基体中Fe，Cr元素向涂层扩散，从而改变涂层中元素种类和含量，导致涂层的化学稳定性、导电性、抗高温氧化性降低。与此同时，互扩散形成的空洞严重影响基体的力学性能。因此，在铁素体不锈钢基体与合金涂层之间制备一层扩散障层，以此来解决基体与涂层之间合金元素的互扩散问题。已有的研究表明，合金组元在本征缺陷浓度低的氮化物，如CrN、AlN中扩散速率极低，因此这类氮化物能有效抑制合金组元扩散性能，同时考虑到不影响整个涂层的导电性能，因此选择导电性较好的CrN作为扩散障材料。利用多弧离子镀制备的CrN薄膜均匀致密缺陷少，可有效阻止热转化涂层合金与基体合金间的元素互扩散。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种包含CrN扩散障层的导电复合涂层及制备方法，能够有效解决合金涂层与基体间的合金元素互扩散问题，改善涂层性能，避免损害基体的力学性能。具体技术方案如下：一种包含CrN扩散障层的导电复合涂层，所述导电复合涂层包括一个CrN扩散障内层和一个导电的合金热转化外层。所述CrN扩散障内层的厚度为0.5μm至5μm，连续致密，化学成分为：铬含量78～88wt％，余量为氮。所述导电的合金热转化外层的厚度为5μm至20μm，其化学成分包括锰和铜，其中锰和铜的原子比为1.7:1.3。一种包含CrN扩散障层的导电复合涂层的制备方法，包括如下工序，工序一为CrN扩散障内层的制备，工序二为合金外层的制备，工序三为热处理。所述CrN扩散障内层的制备是利用多弧离子镀制备CrN扩散障内层，包括以下步骤：(1)基体预处理工艺：将铁素体不锈钢基体经240～2000#SiC砂纸打磨后抛光，在丙酮中超声10～20min，用烘干机充分干燥；(2)沉积CrN扩散障层：将清洗后的基体固定在转架上，放入镀膜机的真空室，真空室保持真空度1～6×10-3pa，加热至200～250℃；打开Ar流量阀，保持真空室内压力为0.1～0.6pa，通入N2调节真空室内压力为0.3～1.6pa；打开转架电源，转速为30～60r/min；对基体施加100～300V负偏压，占空比10～50％；铬靶弧源电流55～70A，靶材为铬靶材，沉积时间0.2～1.5小时；。所述合金外层的制备是利用直流磁控溅射制备合金外层，包括以下步骤：关闭偏压电源和弧源电流，关闭N2流量阀和Ar流量阀，对真空室抽真空至1～6×10-3pa；打开Ar流量阀，保持真空室压力为0.1～0.6pa，温度为200～250℃；打开直流电源，电压200～500V，电流1～6A，靶材为MnCu靶材，沉积时间1～4小时。所述热处理是将制备好涂层的样品置于马弗炉中，在600～800℃空气中热暴露不低于10小时，通过热处理将合金外层热转化为高温导电的尖晶石层。所述铬靶材的纯度为99.99％。所述MnCu靶材采用Mn和Cu质量比为1.7:1.3的合金。与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果是：1、CrN扩散障层能有效抑制合金涂层与基体间合金元素的互扩散，改善涂层性能，避免损害基体力学性能；并且不会影响整个复合涂层的导电性能。2、利用多弧离子镀制备的CrN薄膜均匀致密，附着力强，可调控镀膜参数得到极薄连续膜；多弧离子镀与直流磁控溅射同炉进行，一次装炉可完成全部镀膜过程，简化工艺流程。附图说明图1为多弧离子镀/直流磁控溅射技术制备的不锈钢基体/CrN扩散障/合金涂层截面形貌；图2为不锈钢基体/CrN扩散障/合金热转化涂层在800℃空气中氧化168小时后的截面形貌；图3为图2中白线处所对应的元素线扫分布图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明，但本专利技术的保护范围不受附图和具体实施例所限。本专利技术导电复合涂层包括一个CrN扩散障内层和一个导电的合金热转化外层。其中，CrN扩散障内层的化学成分为：铬含量78～88wt％，余量为氮。导电的合金热转化外层的化学成分包括锰和铜，其中锰和铜的原子比为1.7:1.3。基体合金表面经砂纸打磨，丙酮清洗后，利用多弧离子镀技术在基体合金上制备厚度为0.5μm至5μm的CrN扩散障层，随后采用直流磁控溅射技术在扩散障内层上制备厚度为2μm至10μm的合金外层，然后通过热处理将合金外层热转化为5μm至20μm厚的高温导电的尖晶石层。下面通过实施例和附图对本专利技术进一步详细说明。实施例1基材采用SUS430铁素体不锈钢，基体试样为15mm×11mm×2mm，基体试样经清洗后放入镀膜机的真空室，真空室保持真空度1×10-3pa，加热至200℃；打开Ar流量阀，保持真空室内压力为0.2pa，打开N2流量阀，调节真空室内压力为0.6pa；打开转架电源，转速为30r/min；对基体施加100V负偏压，占空比30％；铬靶弧源电流65A，沉积时间1小时。关闭偏压电源和弧源电流，关闭N2流量阀和Ar流量阀，对真空室抽真空至1×10-3pa；打开Ar流量阀，保持真空室压力为0.2pa，加热至200℃，打开直流电源，电压400V，电流3A，沉积时间2小时。本实施例中，CrN扩散障内层的化学成分为：铬含量86wt％，余量为氮。合金外层中锰和铜的原子比为1.7:1.3。如图1所示，对SUS430/CrN/Mn1.7Cu1.3涂层进行截面观察，CrN层的厚度约为3μm，均匀致密，与基体结合良好；Mn1.7Cu1.3合金层的厚度约为7μm，与CrN层紧密结合。实施例2基材采用Crofer22APU铁素体不锈钢，基体试样为15mm×11mm×2mm，将清洗后的基体放入镀膜机的真空室，真空室保持真空度4×10-3pa，加热至220℃；打开Ar流量阀，保持真空室内压力为0.4pa，通入N2，调节真空室内压力为0.8pa；打开转架电源，转速为40/min；对基体施加150V负偏压，占空比10％；铬靶弧源电流55A，沉积时间1.5小时。关闭偏压电源和弧源电流，关闭N2流量阀和Ar流量阀，对真空室抽真空至4×10-3pa；打开Ar流量阀，保持真空室压力为0.1pa，加热至220℃，打开直流电源，电压500V，电流6A，沉积时间1.5小时；在800℃空气中热处理10小时。随后，基体/涂层体系在800℃空气中长期氧化168小时。如图2和图3所示，对基体/涂层体系在800℃空气中氧化168小时后的截面形貌进行观察并分析元素分布。结果表明，合金外层已经热转化为高温导电的Cu1.3Mn1.7O4尖晶石层；CrN内层部分分解，反应生成了Cr2O3，未本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包含CrN扩散障层的导电复合涂层，其特征在于：所述导电复合涂层包括一个CrN扩散障内层和一个导电的合金热转化外层。

【技术特征摘要】
1.一种包含CrN扩散障层的导电复合涂层，其特征在于：所述导电复合涂层包括一个CrN扩散障内层和一个导电的合金热转化外层。2.根据权利要求1所述的包含CrN扩散障层的导电复合涂层，其特征在于：所述CrN扩散障内层的厚度为0.5μm至5μm，连续致密，化学成分为：铬含量78～88wt％，余量为氮。3.根据权利要求1所述的包含CrN扩散障层的导电复合涂层，其特征在于：所述导电的合金热转化外层的厚度为5μm至20μm，其化学成分包括锰和铜，其中锰和铜的原子比为1.7:1.3。4.一种包含CrN扩散障层的导电复合涂层的制备方法，其特征在于：包括如下工序，工序一为CrN扩散障内层的制备，工序二为合金外层的制备，工序三为热处理。5.根据权利要求4所述的包含CrN扩散障层的导电复合涂层的制备方法，其特征在于：所述CrN扩散障内层的制备是利用多弧离子镀制备CrN扩散障内层，包括以下步骤：(1)基体预处理工艺：将铁素体不锈钢基体经240～2000#SiC砂纸打磨后抛光，在丙酮中超声10～20min，用烘干机充分干燥；(2)沉积CrN扩散障层：将清洗后的基体固定在转架上，放入镀膜机的真空室，真空室保持真空度1～6×10-3pa，加热至200～250℃；打开Ar流量阀，保持真空室内压力为0.1～...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿树江，赵茂森，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21