一种抗高温氧化复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于涂层材料技术领域，涉及反应堆燃料包壳高温防护涂层技术领域，具体涉及一种抗高温氧化复合涂层及其制备方法。本发明专利技术采用优异的镀膜参数来给Zr合金镀Cr/Mo复合涂层，所得复合涂层为金属Mo中间层以及外层金属Cr层的有序层状结构。一方面，综合了Cr涂层优异的抗高温氧化性能，且Mo中间层增加了氧在涂层中的扩散路径，提高了氧的扩散势垒，从而大幅度提高了复合涂层的抗高温氧化性能；另一方面，采用金属Mo作为复合涂层的中间层，可与基材形成孪晶结构，提高与基材的结合强度，且能缓解氧化物薄膜和金属基底的应力，防止薄膜开裂和剥落。此外，本发明专利技术制备工艺简单成熟，适用于管材内外表面，有望应用于高温极端环境。有望应用于高温极端环境。有望应用于高温极端环境。

【技术实现步骤摘要】
一种抗高温氧化复合涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于涂层材料
，涉及反应堆燃料包壳高温防护涂层
，具体涉及一种抗高温氧化复合涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]涂层技术是研究事故容错性材料(ATF)的一种先进方法，除了具有可以减少锆合金在高温水蒸气下的氧化和氢气产生功能外，还具有低成本，开发周期短等优点。其中，Cr氧化物层完整性的破坏、Cr和Zr之间的相互扩散以及Cr向Zr衬底中的扩散/溶解等是影响涂层使用性能的不利因素，也是实际应用中亟需解决的重要问题。根据不同的工况条件，Mo涂层不仅可以作为高温防护涂层单独使用，还可以作为热障涂层体系中的金属过渡层以改善合金基材和陶瓷面层的热不匹配问题。
[0003]2011年3月日本发生核岛事故，其中的锆合金包壳在高温(1200℃)下与水蒸气反应而产生大量氢气(Zr+2H2O
→
ZrO2+2H2↑
)，导致产生氢爆以及放射物的释放。这一事件的发生，使众多学者意识到研究新的核燃料系统或者提高现有核燃料的事故容错性能是是很有必要的。由于在包壳上镀涂层具有低成本、开发周期短的优点，因此受到了许多ATF研究者的青睐。其中，多弧离子镀膜技术具有材料选择广泛、可调整的工艺参数多等优点，可以制备出组织致密、晶粒细小、与基材结合强度高、质量稳定的合金涂层，尤其是在大尺寸和形状复杂部件的涂层制备方面存在着潜在的优越性。然而，目前尚未有使用多弧离子镀膜技术制备抗高温氧化性ATF涂层的报道。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种Cr/Mo复合涂层的制备方法，采用优异的镀膜参数来给Zr合金镀膜，使Cr/Mo复合涂层的致密度高，与Zr附着紧密，从而在高温下具有更优的抗氧化性，且几乎没有弯曲。
[0005]为实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0006]本专利技术第一方面提供了一种抗高温氧化复合涂层，所述复合涂层为有序层状结构，包括涂覆在Zr合金基底上的金属Mo中间层以及最外层的金属Cr层。
[0007]优选地，所述Zr合金为Zr
‑
4合金，所述金属Mo中间层的厚度为10
‑
11μm，所述金属Cr层的厚度为4
‑
4.2μm。
[0008]本专利技术第二方面提供了第一方面所述的抗高温氧化复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1、对Zr合金样品进行退火处理，再用砂纸打磨，并将磨好的样品放入酒精/丙酮混合溶液中进行超声波清洗；
[0010]S2、将清洗后的样品放入多弧离子镀膜机中，在沉积室一侧安装一个弧靶，并将Mo靶装置于弧靶上，抽真空使腔室内的真空度降低至8
×
10
‑3Pa，再加热使腔室温度到达350～400℃，然后开始镀膜，镀膜分为多个工序，先设置前3个工序参数给Zr合金镀过渡涂层，再
设置工序4及之后的工序参数给Zr合金镀Mo涂层，镀膜完成将腔室温度降至室温，并将真空度升至105Pa，完成镀膜，制得中间层Mo涂层；
[0011]S3、待步骤S2完成Mo涂层涂覆的样品干燥后再次置于多弧离子镀膜机中，在沉积室四周分别安装四个弧靶，并将Cr靶分别置于四个弧靶上，抽真空使腔室内的真空度降低至8
×
10
‑3Pa，再加热使腔室的温度到达350～400℃，然后开始镀膜，镀膜分为多个工序，先设置前3个工序参数在Mo中间层上镀过渡涂层，再设置工序4及之后的工序的参数镀Cr涂层，镀膜完成将腔室温度降至室温，并将真空度升至105Pa，完成镀膜，制得抗高温氧化复合涂层。
[0012]采用本专利技术方法制得的复合涂层由金属Cr层和金属Mo层有序复合而成。该复合涂层引入金属Mo层，一方面增加了氧在涂层中的扩散路径，提高氧的迁移势垒，增加了涂层的扩散界面，有效抑制了氧扩散，进而降低了高温氧化增重；另一方面可与基材形成孪晶结构，避免薄膜开裂和剥落，进而明显提高膜
‑
基的结合力，且Mo层可有效缓解Cr层与基材的热失配问题，从而改善氧化层的完整性。本专利技术以延长Cr涂层在高温氧化环境中的使用寿命为目标，充分考虑超高温服役的热膨胀系数、低溶解度及氧化层完整性的要求，并在此基础上，实现了优异的耐高温性能。本专利技术利用多弧离子镀膜技术离化率高、薄膜附着力强、致密性高等技术特点，同时使得成分的控制均匀化，从而有效提高涂层在高温环境下的防护性能。总之，本专利技术方法制得的复合涂层具有较高的抗高温氧化性能，且与基材具有较强的结合力，该复合涂层在1160℃具有优异的抗高温氧化性能。
[0013]优选地，步骤S2中，前3个工序参数为：工序1的时间为30s，压强为0.29Pa，偏压为600V，占空比为50，转架转速为25，弧靶1的电流为0；工序2的时间为120s，压强为0.38Pa，偏压为500V，占空比为50，转架转速为25，弧靶1的电流为100A；工序3的时间为1200s，压强为0.39Pa，偏压为200V，占空比为50，转架转速为25，弧靶1的电流为100A。
[0014]优选地，步骤S2中，工序4及之后的工序的参数为：每道工序的时间均为7200s，占空比为50，转架转速为25，弧靶1的电流为100A，偏压为75V，压强为0.9
‑
1.0Pa。
[0015]优选地，步骤S3中，前3个工序参数为：工序1的时间为30s，压强为0.29Pa，偏压为600V，占空比为50，转架转速为25，弧靶1到弧靶4的电流为0；工序2的时间为120s，压强为0.38Pa，偏压为500V，占空比为50，转架转速为25，弧靶1到弧靶4的电流为100A；工序3的时间为1200s，压强为0.39Pa，偏压为200V，占空比为50，转架转速为25，弧靶1到弧靶4的电流为100A。
[0016]优选地，步骤S3中，工序4及之后的工序的参数为：每道工序的时间均为21600s，占空比为50，转架转速为25，弧靶1到弧靶4的电流为100A，偏压为75V，压强为0.9
‑
1.0Pa。
[0017]优选地，步骤S1中，退火的温度为650
‑
700℃，退火时间为1小时。
[0018]优选地，步骤S1中，所述用砂纸打磨为用粗糙度为240#、600#和800#的砂纸依次打磨样品，每更换一次粗糙度的砂纸，以90
°
旋转样品一次，使得磨削的方向与前磨痕方向垂直，以便观察是否将前序磨痕完全消除。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0020]本专利技术公开了一种Cr/Mo复合涂层的制备方法，采用优异的镀膜参数来给Zr合金镀Cr/Mo复合涂层，所得复合涂层为金属Mo中间层以及外层金属Cr层的有序层状结构。一方面，本专利技术设计的有序层状结构综合了Cr涂层优异的抗高温氧化性能，且Mo中间层增加了
氧在涂层中的扩散路径，提高了氧的扩散势垒，从而大幅度提高了复合涂层的抗高温氧化性能；另一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗高温氧化复合涂层，其特征在于，所述复合涂层为有序层状结构，包括涂覆在Zr合金基底上的金属Mo中间层以及最外层的金属Cr层。2.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化复合涂层，其特征在于，所述Zr合金为Zr
‑
4合金，所述金属Mo中间层的厚度为10
‑
11μm，所述金属Cr层的厚度为4
‑
4.2μm。3.权利要求1或2所述的抗高温氧化复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对Zr合金样品进行退火处理，再用砂纸打磨，并将磨好的样品放入酒精/丙酮混合溶液中进行超声波清洗；S2、将清洗后的样品放入多弧离子镀膜机中，在沉积室一侧安装一个弧靶，并将Mo靶装置于弧靶上，抽真空使腔室内的真空度降低至8
×
10
‑3Pa，再加热使腔室温度到达350～400℃，然后开始镀膜，镀膜分为多个工序，先设置前3个工序参数给Zr合金镀过渡涂层，再设置工序4及之后的工序参数给Zr合金镀Mo涂层，镀膜完成将腔室温度降至室温，并将真空度升至105Pa，完成镀膜，制得中间层Mo涂层；S3、待步骤S2完成Mo涂层涂覆的样品干燥后再次置于多弧离子镀膜机中，在沉积室四周分别安装四个弧靶，并将Cr靶分别置于四个弧靶上，抽真空使腔室内的真空度降低至8
×
10
‑3Pa，再加热使腔室的温度到达350～400℃，然后开始镀膜，镀膜分为多个工序，先设置前3个工序参数在Mo中间层上镀过渡涂层，再设置工序4及之后的工序的参数镀Cr涂层，镀膜完成将腔室温度降至室温，并将真空度升至105Pa，完成镀膜，制得抗高温氧化复合涂层。4.根据权利要求2所述的一种抗高温氧化复合涂层，其特征在于，步骤S2中，前3个工序参数为：工序1的时间为30s，压强为0.29Pa，偏压为600V，占空比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺秀杰，马娇娇，孟垂义，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：