一种Zr-Cu二元非晶材料及其应用制造技术

本发明专利技术属于材料表面防护技术领域，具体涉及一种Zr

【技术实现步骤摘要】
一种Zr
‑
Cu二元非晶材料及其应用


[0001]本专利技术属于材料表面防护
，具体涉及一种Zr
‑
Cu二元非晶材料及其应用。

技术介绍

[0002]锕系元素普遍具有放射性和化学毒性，同时化学性质极为活泼，因此，锕系材料的腐蚀是其失效的重要因素。以应用时间划分，锕系材料的表面处理技术可分为两大类：20世纪80年代之前以涂层、电镀和化学镀为主，镀层材料主要有氧化涂层、有机涂层、单质金属镀层(Ni、Zn、Al)和二元镀层(Zn/Ni)等；20世纪80年代之后，表面科学技术不断发展和完善，物理气相沉积、载能离子束改性和激光表面改性等技术得到应用，其作用优于早期的电镀和化学镀，镀层材料主要为金属和陶瓷材质，如Ti和TiN薄膜。
[0003]在离子镀、离子束辅助沉积和离子注入等气相沉积方法的应用中，美国Sandia实验室对离子镀Au、Cu、Ni和Al膜的抗腐蚀效果进行了对比研究，证实了Al膜的抗腐蚀效果最好。中物院的吕学超等采用不同工艺制备Al镀层，发现循环氩离子镀和间歇式镀膜对提高镀层的致密性和防腐蚀效果更显著。Chang等曾在U
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Ti合金上沉积了Zn、Al、Mg、Ni、Ti、Al
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Zn、Al
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Mg、TiN和Al/TiN等9种金属镀层，通过电化学实验考核，发现Al
‑
Zn和Al
‑
Mg两种镀层的自腐蚀电位最高，是良好的牺牲性保护镀层材料。Weirick等在相同基底材料上制备了Zn、Ni、Al和Zn/Ni等不同的镀层，其致密性大大优于相应的电镀镀层，因而腐蚀防护效果得到显著改善。郭焕军等则利用离子束辅助沉积和离子注入技术在锕系材料表面建立了不同的铌表面改性层，发现铌膜有助于提升抗腐蚀性能。
[0004]对于磁控溅射离子镀技术，离子沉积速度和薄膜厚度容易控制，对磁控靶的几何形状没有设计限制，易于保证镀膜的均匀性，且适合金属、合金和陶瓷材料的膜层制备，因此也得到广泛关注。中物院的白彬等利用这种技术在锕系材料表面制备了Ti/Al/U复合镀层，发现Ti/Al界面分离是加热腐蚀的主要失效形式。周韦等则通过俄歇谱仪研究了磁控溅射镀Al/U膜的界面反应，初步证实退火可以形成U
‑
Al合金相，具有较高的界面结合力。
[0005]相比于合金材料，非晶合金因其无晶界和无相界的组织结构特点，具有耐腐蚀性优异、耐磨性好、耐辐照和强度高的性能，能实现纳米级别的表面光洁度，且可以利用过冷液相区的热塑性进行无损裂纹自修复。目前，非晶材料在远洋舰艇腐蚀防护、手机外壳制造和高活性金属表面改性等方面得到应用。同时，由于非晶材料优异的抗辐照性能，美国已经将其应用在放射性核素固化领域，取得了良好的效果。但是，考虑到锕系材料密度高、晶格常数较大且具有毒性等因素，非晶合金并没有被用于锕系材料的表面防护。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种Zr
‑
Cu二元非晶材料及其应用，本专利技术提供的Zr
‑
Cu二元非晶材料可以提高锕系材料和非放射性材料的抗腐蚀性能，辐照性能高，晶格与锕系材料相匹配。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种Zr
‑
Cu二元非晶材料，包括原子百分比为30～70％的Zr和原子百分比为30～70％的Cu。
[0009]优选的，所述Zr的原子百分比为45～55％，所述Cu的原子百分比为45～55％。
[0010]本专利技术还提供了上述方案所述Zr
‑
Cu二元非晶材料在锕系材料和非放射性材料表面防护中的应用。
[0011]优选的，当应用于锕系材料表面防护中时，所述应用包括以下步骤：
[0012]采用Cu和Zr为靶材，对锕系材料进行共聚焦磁控溅射，在锕系材料表面包覆Zr
‑
Cu二元非晶薄膜。
[0013]优选的，所述共聚焦磁控溅射包括以下步骤：
[0014](1)将Cu靶和Zr靶安装于磁控溅射靶头；
[0015](2)将表面抛光的锕系材料烘烤后放置于基底；
[0016](3)抽真空后通入惰性气体，启动Zr靶和Cu靶，开启基底旋转功能，进行共聚焦磁控溅射，得到表面包覆Zr
‑
Cu二元非晶薄膜的锕系材料。
[0017]优选的，所述烘烤的温度为100～200℃。
[0018]优选的，所述抽真空的本底真空度为不高于1
×
10
‑3Pa，工作真空度为3
×
10
‑1～3Pa。
[0019]优选的，所述共聚焦磁控溅射的沉积时间为10～120min。
[0020]优选的，所述共聚焦磁控溅射的次数不少于1次。
[0021]优选的，所述Zr靶的靶基距为25～35mm，所述Zr靶的离子束直流电源功率为50～75W，所述Cu靶的靶基距为70～90mm，所述Cu靶的离子束直流电源功率为30～50W。
[0022]本专利技术提供了一种Zr
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Cu二元非晶材料，包括原子百分比为30～70％的Zr和原子百分比为30～70％的Cu。本专利技术以Inoue三原则为基础，考虑合金元素之间的尺寸错配性、混合焓特性和非晶形成能力进行成分设计，同时兼顾合金熔体的冷却凝固形核特性，确定了二元的Zr
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Cu非晶成分体系，非晶形成能力较强，成分区间较宽，硬度和耐磨性高，抗腐蚀性能优异。相对其他锕系材料表面镀层体系来说，本专利技术提供的Zr
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Cu二元非晶材料无晶界和相界等晶体结构，可形成无序结构的非晶镀层，从而实现材料表面的均匀腐蚀，避免了薄弱结构的优先腐蚀，从而提高了锕系材料的抗腐蚀性能；相对其他常规材料表面镀层材料来说，本专利技术提供的Zr
‑
Cu二元非晶材料的抗辐射性能较强，不会因为锕系材料的放射性而改变镀层结构。
[0023]本专利技术提供的Zr
‑
Cu二元非晶材料镀层后薄膜平整致密，厚度可控，表面镀层后的锕系材料在空气中放置一年后表面无明显腐蚀，在高温高湿(50℃，100％相对湿度腐蚀15天)环境下的抗腐蚀性能优于经典不锈铀(U
‑
7.5Nb
‑
2.5Zr)，且该非晶镀层较常规Al镀层辐照性能高，密度较高，晶格与锕系材料相匹配，提高了锕系金属及合金的长期抗腐蚀性能。
[0024]进一步的，本专利技术提供的Zr
‑
Cu二元非晶材料，当Zr的原子百分比在45～55％之间时，镀层后锕系材料表面形成完全非晶薄膜；当Zr的原子百分比在30～45％或55～70％时，镀层后锕系材料表面形成部分非晶薄膜，薄膜中还有纳米晶存在，但是均能明显提高锕系材料的抗腐蚀性能。
[0025]本专利技术还提供了上述方案所述Zr
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Cu二元非晶材料在锕系材料表面防护中的应用。本专利技术采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Zr
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Cu二元非晶材料，包括原子百分比为30～70％的Zr和原子百分比为30～70％的Cu。2.根据权利要求1所述的Zr
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Cu二元非晶材料，其特征在于，所述Zr的原子百分比为45～55％，所述Cu的原子百分比为45～55％。3.权利要求1～2任意一项所述Zr
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Cu二元非晶材料在锕系材料和非放射性材料表面防护中的应用。4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，当应用于锕系材料表面防护中时，所述应用包括以下步骤：采用Cu和Zr为靶材，对锕系材料进行共聚焦磁控溅射，在锕系材料表面包覆Zr
‑
Cu二元非晶薄膜。5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述共聚焦磁控溅射包括以下步骤：(1)将Cu靶和Zr靶安装于磁控溅射靶头；(2)将表面抛光的锕系材料烘烤后放置于基底；(3)抽真空后通入惰性...

【专利技术属性】
技术研发人员：张培，黄火根，胡梅娟，张厚亮，路超，施韬，法涛，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：