一种类金刚石复合涂层及其制造方法和表面结合类金刚石复合涂层的核电零部件技术

本发明专利技术公开了一种用于核电零部件表面处理的类金刚石复合涂层及其制造方法。本发明专利技术类金刚石复合涂层包括一结合于核电零部件表面的氮化物层上形成的Cr/CrC/Ta‑C涂层。本发明专利技术充分利用了离子渗氮及渐变层的优点，平滑了核电零部件金属材质与涂层之间的物理性能差异，显著提高核电零部件疲劳强度、耐磨性和膜基结合力，改善耐蚀性和抗磨损性能，从而提高核电零部件的运行可靠性和运行寿命。

A Diamond-like Composite Coating and Its Manufacturing Method and Nuclear Power Components with Surface-bonded Diamond-like Composite Coating

【技术实现步骤摘要】
一种类金刚石复合涂层及其制造方法和表面结合类金刚石复合涂层的核电零部件
本专利技术属于涂层材料制备领域，具体涉及一种含Cr及CrC渐变层的类金刚石复合涂层及其制备方法。
技术介绍
腐蚀是影响核电站系统和设备性能及使用寿命的重要因素，它会使系统和设备的稳定运行能力降低，使用寿命缩短，影响核电站的安全运行，并造成巨大的经济损失。选用耐腐蚀材料是管道及设备防腐最根本的方法，核电常用的耐腐蚀材料主要有双相不锈钢、钛、316L不锈钢、树脂等。双相不锈钢具有较高的机械性能和优异的耐点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀性能。厂用水泵叶轮等与海水接触部件采用了双相不锈钢。钛或者钛合金具有很好的耐腐蚀性能，凝汽器管束、板式换热器热交换板等与海水接触部分材质都是钛，凝汽器管板采用镀钛的方式进行防腐。双相不锈钢、钛等价格十分昂贵，只用在相关设备的关键部位。316L不锈钢材质不锈钢具有良好的耐点蚀、晶间腐蚀和抗氯化物侵蚀的性能，在海洋环境中抗腐蚀性能大大的优于304不锈钢和304L不锈钢，但实际工程中与海水接触的316L不锈钢点蚀严重，甚至出现泄露。衬胶碳钢强度高，价格相对较低，但在海水中易被腐蚀，内衬是利用内衬材料将碳钢管道或者设备内的海水与管道内表面隔离开，以达到防止海水腐蚀的目的。常用的内衬材料有橡胶(常用氯丁橡胶)、塑料(常用聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯)。衬胶由于继承了橡胶的优良特性，在耐化学腐蚀的同时耐磨、耐温性能也很突出，而但不耐冲刷腐蚀，易老化脱落。近年来，物理气相沉积涂层技术已被广泛应用于刀具、模具、精密零部件、装饰涂层等，涂层处理可以增加工件耐腐蚀性、硬度、抗磨力和降低摩擦系数，从而延长工件寿命。目前，主要的涂层包括TiN、TiCN、CrN等，每种涂层各有其不同的特性和用途，以上几种硬质涂层基本具备低的滑动摩擦系数、高的抗磨能力、高的抗接触疲劳能力及高的表面强度，从而保证涂层表面具有足够的尺寸稳定性且基体之间具有高的黏附强度。进入21世纪后，类金刚石涂层(Diamond-likeCarbon)以其高硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性受到广泛关注，类金刚石涂层将高硬度、低摩擦系数、耐磨损、抗划伤性、耐腐蚀性、抗粘连、化学稳定性等特性完美地结合，在力学、摩擦学、热学等方面展示出优良特性，可广泛应用于机械、工模具、刀具、航空航天等领域。然而，类金刚石涂层虽具有优异的性能，但其自身内应力大、膜基结合力低、韧性差，在使用过程中容易发生开裂和剥落。目前，世界范围正在研发各种掺杂金属或非金属元素的类金刚石复合涂层的制备方法，所得到的掺杂类金刚石复合涂层的使用性能能够得到显著改善。但由于其具体掺杂成份及结构的不同，类金刚石复合涂层的性能及适用范围有着相当大的差别。目前，常用的类金刚石复合涂层主要用于防止工具和模具表面的摩擦磨损、残留和腐蚀，但由于基体与涂层之间材料及物理性能往往存在差异，如Ta-C涂层与高速钢基体间热膨胀系数相差1个数量级，在金属材料上直接沉积Ta-C涂层，硬度和弹性模量以及膨胀系数的巨大差异，会导致涂层与基体界面之间产生很高的内应力，膜基结合强度很差，长期工作后仍会在工模具表面造成磨损。为此，本专利技术提供了一种用于核电零部件表面处理的类金刚石复合涂层及其制造方法，该复合涂层具有高耐磨性、高结合力和较强的耐酸性塑料腐蚀能力。根据本专利技术方法制备所得的类金刚石复合涂层应用于核电零部件时，可极大地平滑涂层与基体之间的物理性能差异，显著提高零部件疲劳强度、耐磨性和膜基结合力，改善零部件耐蚀性和抗磨损性能，从而提高核电零部件的运行可靠性和运行寿命。
技术实现思路
为了克服上述技术缺陷，解决常规掺金属及采用梯度膜等简单镀膜工艺的零部件性能改善程度有限等问题，进一步提高核电零部件的耐蚀性和使用寿命，本专利技术提供了一种核电零部件的类金刚石复合涂层及其制造方法和表面结合类金刚石复合涂层的核电零部件。该复合涂层具有高耐磨性、高结合力和较强的耐酸性塑料腐蚀能力。其采用基体表面离子渗氮和阴极电弧离子镀Cr/CrC/Ta-C渐变层的类金刚石复合涂层制备而成。根据该专利技术方法制备所得的类金刚石复合涂层应用于核电零部件时，可极大地平滑涂层与基体之间的物理性能差异，显著提高核电零部件疲劳强度、耐磨性和膜基结合力，改善其耐蚀性和抗磨损性能，从而提高核电零部件的运行可靠性和运行寿命。本专利技术提供了一种类金刚石复合涂层，所述类金刚石复合涂层包括一结合在基体表面的氮化物层上的打底层和覆盖于所述打底层外层的渐变层。优选地，所述类金刚石复合涂层包括一于所述氮化物层上形成的Cr/CrC/Ta-C涂层。优选地，所述类金刚石复合涂层外观呈黑色。优选地，所述类金刚石复合涂层表面维氏硬度高达3000HV。优选地，所述类金刚石复合涂层膜基结合力＞50N。优选地，所述类金刚石复合涂层的涂层厚度为0.5～5μm；其中，所述打底层的厚度为0.1～0.5μm。本专利技术进一步提供了一种类金刚石复合涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：S1：在一镀膜设备中放置至少一个基体、至少两个金属靶和至少两个碳源靶；S2：采用离子渗氮法在所述基体的表面形成一氮化物层；S3：对所述基体的表面进行等离子清洗；S4：在所述氮化物层上制备一打底层；S5：在所述打底层上制备一渐变层，以形成所述类金刚石复合涂层。优选地，所述步骤S1中，进一步包括，将所述基体放置于所述镀膜设备中的工件架上，所述金属靶与所述碳源靶分别与所述工件架为对平面放置，且所述金属靶、所述工件架与所述碳源靶均匀间隔90°放置。优选地，所述工件架可同时进行公转和自转，所述工件架的公转和自转的转动速度为5～10r/min。优选地，所述步骤S2进一步包括：将所述镀膜设备中的真空室抽真空至0.5～1Pa，通入氨气，保持所述真空室的压强为200～300Pa，加热所述真空室的工作温度至520～550℃，基地偏压为-800～-1000V，渗氮时间8～15小时，表面渗氮深度300～500μm，形成一厚度为3～10μm的所述氮化物层；所述步骤S3进一步包括：将所述真空室的压强抽至3×10-3～6×10-3Pa，通入氩气，所述氩气流量为15～30sccm，保持所述真空室的压强为0.1～1Pa，打开所述镀膜设备中的脉冲电源调整所述基地偏压至-400～-500V，偏压电源频率为40kHz，阴极电弧电流30～50A，清洗时间持续30～60min；所述步骤S4进一步包括：完成所述步骤S3后，控制所述氩气的气流量保持15～30sccm，保持所述真空室的压强为0.1～1Pa，开启所述金属靶，调节所述金属靶的靶电流为60～80A，所述基体偏压为-180～-220V，沉积时间为10～20min，于所述氮化物层上形成所述打底层；所述步骤S5进一步包括：完成所述步骤S4后，控制所述氩气的气流量保持15～30sccm，将所述真空室的压强调节至0.05～0.1Pa，调节所述基体偏压至-50～-60V，将所述金属靶的靶电流保持为60～80A；第一时间段内，开启一第一碳源靶，调节所述第一碳源靶的第一靶电流为40～60A；第二时间段内，开启第二碳源靶，调节所述第二碳源靶的第二靶电流为40～60A；第三时间段内，关闭第一金属靶，第四时间段内，关闭第二金属靶，并调节所述第一碳源靶和第二碳源靶的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种类金刚石复合涂层，其特征在于，所述类金刚石复合涂层包括一结合在基体表面氮化物层上的打底层和覆盖于所述打底层外层的渐变层。

【技术特征摘要】
1.一种类金刚石复合涂层，其特征在于，所述类金刚石复合涂层包括一结合在基体表面氮化物层上的打底层和覆盖于所述打底层外层的渐变层。2.如权利要求1所述的类金刚石复合涂层，其特征在于，所述类金刚石复合涂层包括一于所述氮化物层上形成的Cr/CrC/Ta-C涂层。3.如权利要求1所述的类金刚石复合涂层，其特征在于，所述类金刚石复合涂层外观呈黑色。4.如权利要求1所述的类金刚石复合涂层，其特征在于，所述类金刚石复合涂层表面维氏硬度高达3000HV。5.如权利要求1所述的类金刚石复合涂层，其特征在于，所述类金刚石复合涂层膜基结合力＞50N。6.如权利要求1所述的类金刚石复合涂层，其特征在于，所述类金刚石复合涂层的涂层厚度为0.5～5μm；其中，所述打底层的厚度为0.1～0.5μm。7.一种类金刚石复合涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：S1：在一镀膜设备中放置至少一个基体、至少两个金属靶和至少两个碳源靶；S2：采用离子渗氮法在所述基体的表面形成一氮化物层；S3：对所述基体的表面进行等离子清洗；S4：在所述氮化物层上制备一打底层；S5：在所述打底层上制备一渐变层，以形成所述类金刚石复合涂层。8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，进一步包括，将所述基体放置于所述镀膜设备中的工件架上，所述金属靶与所述碳源靶分别与所述工件架为对平面放置，且所述金属靶、所述工件架与所述碳源靶均匀间隔90°放置。9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述工件架可同时进行公转和自转，所述工件架的公转和自转的转动速度为5～10r/min。10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：将所述镀膜设备中的真空室抽真空至0.5～1Pa，通入氨气，保持所述真空室的压强为200～300Pa，加...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘文高，李朝明，李晓萱，禹兴利，韩辉，李运红，
申请(专利权)人：上海离原环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31