核电厂阀杆的涂层结构和阀杆及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种核电厂阀杆的涂层结构和阀杆及其制备方法，所述涂层结构包括由内向外依次设置的过渡层和无氢类金刚石层，所述过渡层的微观结构为纳米孪晶，所述涂层结构均匀地覆盖在所述阀杆表面。所述制备方法包括如下步骤：清洗阀杆后对阀杆进行等离子体表面活化，依次沉积过渡层和无氢类金刚石层，得到所述阀杆。本发明专利技术的核电厂阀杆的涂层结构和阀杆及其制备方法，有效提高阀杆表面的硬度，降低了阀杆的摩擦损失，使其抗耐磨性好，摩擦系数减小，提升了作业效率，进而提升阀杆的使用寿命，能够满足高温高压水环境下对阀杆抗冲击韧性、耐腐蚀性、抗磨损性能的技术性能要求，有效降低生产成本。降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】
核电厂阀杆的涂层结构和阀杆及其制备方法


[0001]本专利技术属于核电厂调节阀制造
，具体涉及一种核电厂阀杆的涂层结构和包括该涂层结构的阀杆，以及该阀杆的制备方法。

技术介绍

[0002]核电厂管道阀门数量众多，在整个核电运行系统中起着关键的作用。阀门的服役环境为高温、高压、水和磨损环境，在高频率的启停过程中，调节阀的阀杆不仅是运动件、受力件，而且是密封件，其受到介质的冲击和腐蚀，还与填料之间产生摩擦。因此，需要阀杆在运行温度下具有优异的强度、抗冲击韧性、耐腐蚀性和抗磨损性能。虽然现役阀杆表面有电镀铬涂层保护，但在核电厂运行工况下阀杆依然容易出现磨损失效的情况。核电厂每年需要更换许多失效的阀杆部件，这无疑增加了核电厂的运行成本；同时，由于更换阀杆部件导致的电厂停机、停堆等情况会造成更大的经济损失。因此，提高阀杆表面涂层的耐磨性，是延长磨损部件服役寿命的有效途径。
[0003]目前，为提高阀杆的耐磨性能，有两种方法，一是服役前阀杆表面涂覆涂层；二是对失效阀杆进行表面修复。与阀杆磨损后表面修复相比，在服役前提高阀杆表面的耐磨性能有利于从源头提高阀杆的服役寿命，避免损坏后再修复，是更为经济的手段。因此，有必要开发一种调节阀阀杆的涂层，使其能满足调节阀阀杆的使用要求，且生产成本低。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种核电厂阀杆的涂层结构和阀杆及其制备方法，用于解决现有技术中调节阀阀杆的强度及韧性、耐腐蚀性能、抗磨损性能不足，以及阀杆频繁更换导致的生产成本增加的问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：
[0006]本专利技术的一个目的是提供一种核电厂阀杆的涂层结构，包括由内向外依次设置的过渡层和无氢类金刚石层，所述过渡层的微观结构为纳米孪晶，所述涂层结构均匀地覆盖在所述阀杆表面。此外，所述阀杆表面本身还具有一层铬。
[0007]过渡层的微观结构为纳米孪晶，大量的纳米孪晶晶界有利于吸收位错，协调晶体变形，缓解应力集中，因此可以提高涂层的韧性。过渡层表面的无氢类金刚石层属于四面体非晶碳(ta
‑
C)膜，具有高硬度、低摩擦系数的特点，其耐腐蚀性能和耐磨损性能优异，最终能够降低阀杆的摩擦损失。
[0008]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述过渡层为TiBN层和/或AlN层。本专利技术的一些实施例中，过渡层可以为单一的TiBN层或AlN层；也可以设置为TiBN层和AlN层的复合层。
[0009]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述过渡层为TiBN层和AlN层时，所述TiBN层和AlN层的厚度之比为1:0.8～1:1.5。本专利技术的一些实施例中，TiBN层和AlN层的厚度之比优选为1:1。
[0010]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述过渡层的厚度为0.5～1μm，所述无氢类金
刚石层的厚度为1.5～3μm。
[0011]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述无氢类金刚石层的硬度为3000～3600HV。
[0012]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述无氢类金刚石层的断裂韧性大于3.5MPa/m
1/2
。
[0013]本专利技术的另一个目的是提供一种包括如上所述的涂层结构的阀杆，所述阀杆的硬度大于或等于3000HV；所述阀杆的断裂韧性大于或等于3.5MPa/m
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。此外，在该调节阀阀杆的表面生长上述涂层后，使得该阀杆的耐高温性能相比于传统的阀杆表面只有一层铬涂层的提高了约100℃，其能够承受住400～450℃的高温环境，有利于延长阀杆的使用寿命。
[0014]本专利技术还提供了一种具有如上所述的阀杆的制备方法，包括如下步骤：
[0015]清洗阀杆后对阀杆进行等离子体表面活化，再依次沉积过渡层和无氢类金刚石层，得到所述阀杆。
[0016]为了制备得到具有纳米孪晶结构的过渡层，本专利技术的一些实施例中，在过渡层的制备方法中调整了相关的实验参数，包括控制靶材溅射功率为2000～2500W、偏压为
‑
100～
‑
300V、温度为100～200℃，以得到纳米孪晶结构的过渡层。
[0017]具体地，所述阀杆的制备方法为：
[0018](1)利用超声石油醚清洗处理阀杆表面1小时，去除液压阀杆油污后放入无水乙醇超声清洗30分钟，最后放入45℃的干燥箱中干燥1小时；
[0019](2)将阀杆置于真空气相沉积腔室中，腔室温度100～200℃，真空抽至5
×
10
‑3～8
×
10
‑3Pa，然后通过阳极层离子源向腔室通入纯度为99.99％、流量为100～200sccm的高纯氩气，腔室气压保持在0.2～0.7Pa，阳极层离子源放电电压750～1000V，放电电流0.2～0.7A，对阀杆施加偏压
‑
300～
‑
550V，清洗调节阀阀杆40～50分钟；
[0020](3)在真空气相沉积腔室中，调整经过等离子体表面活化后的阀杆的负偏压至
‑
100～
‑
300V，通入流量为100～200sccm的氮气，继续通入氩气，使沉积腔室的气压保持在1.0～1.5Pa，开启磁控溅射靶，调整磁控溅射靶的功率为2000～2500W，沉积时间为20～30分钟，沉积完成后关闭磁控溅射电源，完成过渡层的沉积；
[0021](4)调整阀杆的负偏压至
‑
100～
‑
200V，关闭氮气和氩气，维持真空度在5
×
10
‑4～7
×
10
‑4Pa，开启脉冲激光电源并聚焦在碳靶上，激光脉冲能量为400～500mJ，重频为30～45Hz，沉积时间为1～2小时；最终得到该阀杆。通过激光使碳靶蒸发并离化为碳离子，碳离子在基底负偏压的作用下，高速轰击基底并沉积成无氢类金刚石层。
[0022]由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术的有益之处在于：本专利技术的核电厂阀杆的涂层结构和阀杆及其制备方法，通过将具有纳米孪晶结构的过渡层和具有高硬度、低摩擦系数且耐高温的无氢类金刚石层相结合，生长在核电厂所使用的调节阀的阀杆表面，使阀杆表面的硬度提高，抗耐磨性好，摩擦系数减小，降低了阀杆的摩擦损失，提升了作业效率，进而提升了阀杆的使用寿命，能够满足高温高压水环境下对阀杆抗冲击韧性、耐腐蚀性、抗磨损性能的技术性能要求，有效降低生产成本。
具体实施方式
[0023]为了使本
的人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施
例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0024]实施例一
[0025]本实施例提供一种核本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核电厂调节阀阀杆的涂层结构，其特征在于，包括由内向外依次设置的过渡层和无氢类金刚石层，所述过渡层的微观结构为纳米孪晶，所述涂层结构均匀地覆盖在所述阀杆表面。2.根据权利要求1所述的涂层结构，其特征在于，所述过渡层为TiBN层和/或AlN层。3.根据权利要求2所述的涂层结构，其特征在于，所述过渡层为TiBN层和AlN层时，所述TiBN层和AlN层的厚度之比为1:0.8～1:1.5。4.根据权利要求2所述的涂层结构，其特征在于，所述过渡层的厚度为0.5～1μm，所述无氢类金刚石层的厚度为1.5～3μm。5.根据权利要求2所述的涂层结构，其特征在于，所述无氢类金刚石层的硬度为3000～3600HV。6.根据权利要求2所述的涂层结构，其特征在于，所述无氢类金刚石层的断裂韧性大于3.5MPa/m
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。7.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏广海，耿建桥，张晏玮，梅金娜，杭玉桦，韩姚磊，季骅，朱金辉，王文奋，
申请(专利权)人：广东核电合营有限公司中国广核集团有限公司中国广核电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：