專利名稱：一種鋼基阻氫滲透復合涂層及其制備方法
技術領域：
本方法公開了一種鋼基阻氫滲透復合涂層及其制備方法。該涂層可以用于鋼的滲透阻擋涂層，特別是該涂層可用于氫存儲、輸運器件的阻氫滲透涂層，也可用于下一代核聚變反應堆第一壁結構材料的阻氚滲透涂層。
背景技術：
涉氫的應用領域廣泛存在氫滲透和擴散的問題，氫的滲透會導致一系列問題如氫脆、氫析出富集等。在核聚變反應堆中，作為第一壁結構材料的不銹鋼處于較高工作溫度條件，高溫下其氚滲透率會顯著升高，氚的滲透不僅造成氚的浪費、不銹鋼氫脆，對環境也會造成嚴重的放射性污染。因此，阻氫滲透材料在涉氫應用領域具有巨大的應用潛力。目前，對阻氫滲透材料的研究主要集中在結構材料表面形成有效的阻氫滲透涂層。不同涂層材料體系中，氧化鋁具有優異的阻氫滲透性能、化學穩定性和耐腐蝕性能等，其氫滲透降低因子高達103，被確定為最有潛力的阻氫滲透涂層材料之一[K.S.Forcey, D.K.Ross.J.Nucl.Mater.182 (1991) 36 ；D.Levchuk, F.Koch, H.Maier,
H.Bolt, J.Nucl.Mater.328 (2004) 103] 0但是，由于氧化鋁(α-氧化鋁)熱膨脹系數為
6.9X KT6IT1,與不銹鋼基體熱膨脹系數(如，316不銹鋼18.5X KT6IT1)存在較大差異，不銹鋼基體上直接沉積的氧化鋁涂層的高溫結合力低、容易剝落，嚴重影響了其實際使用中的阻氫滲透性能。一種解決辦法是在所述不 銹鋼基體上提供合金中間層作為過渡層。CN101469409A、CN101265603A、CN101845645A公布了合金過渡層的復合涂層制備技術，所述金屬或合金過渡層為Al或FeAl合金，可由包埋滲鋁、熱噴涂、熱浸鍍、物理氣相沉積、化學氣相沉積等獲得。雖然此類過渡層韌性高，對基體具有良好的結合性能，但金屬或合金層的制備涉及金屬層涂覆及高溫后處理，制備工藝復雜，成本高。GB2093073A公開了一種不銹鋼基體表面原位熱生長氧化物涂層作為氫滲透阻擋涂層的技術，通過900-1000°C氧化氣氛下在不銹鋼表面熱生長一層含有氧化鉻的的氧化物涂層，所述熱生長氧化物涂層對不銹鋼基體結合強度高，并且具備自我修復能力。但是，不銹鋼基體熱生長氧化物涂層由于其阻氫滲透性能較差而具有一定局限性，熱生長氧化物涂層的氫滲透降低因子為 2-25 [A.Aiello, M.Utili, S.Scalia, G.Coccoluto, 84 (2009) 385]。

發明內容
本發明的目的是提供一種鋼基體上阻氫滲透復合涂層及其制備方法，為提高不銹鋼的阻氫滲透性能，申請人提出在不銹鋼基體上制備阻氫滲透復合涂層，首先通過原位低氧分壓熱生長氧化物涂層作為內層，之后在該熱生長氧化物涂層上采用反應磁控濺射、等離子噴涂、化學氣相沉積、金屬有機物化學氣相沉積、溶膠凝膠法等方法中的一種或多種混合制備氧化鋁涂層作為外層。使用本發明的方法獲得的阻氫滲透復合涂層具有涂層結合力高、熱循環性能優異、阻氫滲透性能優異等優點。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
—種阻氫滲透復合涂層，該復合涂層由在鋼基體原位熱生長的氧化物涂層作為內層，和氧化鋁涂層作為外層復合而成。所述復合涂層由鋼基體(優選含鉻合金鋼基體)熱生長氧化物涂層，以及熱生長氧化物涂層上的致密氧化鋁涂層構成。熱生長氧化物涂層作為氧化鋁涂層與鋼基體(優選含鉻合金鋼基體)的中間過渡層，起到調節熱膨脹系數，增加氧化鋁涂層附著力的作用。在本發明的阻氫滲透復合涂層中，所述的鋼基體為含鉻合金鋼。在本發明的阻氫滲透復合涂層中，所述的原位熱生長的氧化物涂層為原位熱生長的含有氧化鉻的的氧化物涂層。一種制備本發明的阻氫滲透復合涂層的方法，在鋼基體原位熱生長的氧化物涂層，所述的氧化物涂層是在10_15-10_2°Pa氧分壓和700-1000°C條件下，經過0.5-20小時氧化在鋼基體表面原位生長而成；并在原位熱生長的氧化物涂層表面上直接沉積氧化鋁涂層。在本發明的制備阻氫滲透復合涂層的方法中，所述的鋼基體為含鉻合金鋼，所述的原位熱生長的氧化物涂層為含有氧化鉻的氧化物涂層。在本發明的制備阻氫滲透復合涂層的方法中，所述的氧化鋁涂層是由反應磁控濺射、等離子噴涂、化 學氣相沉積、金屬有機物化學氣相沉積和溶膠凝膠法等方法中的一種或多種而直接沉積在熱生長氧化物涂層表面上。與現有技術相比，本發明的阻氫滲透復合涂層制備方法的優點是:1.鋼基體(優選含鉻合金鋼基體)原位熱生長氧化物涂層具有阻氫滲透性能。2.熱生長氧化物涂層能夠調節鋼基體(優選含鉻合金鋼基體)與外層氧化鋁涂層的熱膨脹過程，提高外層氧化鋁涂層與鋼基體的結合強度。3.本發明的阻氫滲透復合涂層具有熱循環性能好，氫滲透降低因子高的特點。


圖1為阻氫滲透復合涂層的結構示意圖。圖2為實施例1中制備的阻氫滲透復合涂層的截面和表面電子掃描電鏡照片。圖3為實施例1和2中制備的阻氫滲透復合涂層的阻氫滲透性能圖4為實施案例2中制備的阻氫滲透復合涂層的EDS能譜分析元素深度分布。
具體實施例方式如圖1所示，本發明的阻氫滲透復合涂層，該復合涂層由在鋼基體I原位熱生長的氧化物涂層2作為內層，和氧化鋁涂層3作為外層復合而成。其中，鋼基體I為含鉻合金鋼基體；原位熱生長的氧化物涂層2為含有氧化鉻的氧化物涂層。本發明結合下列實施例和附圖進一步說明，但本發明不局限于下面實施例。實施例1Eurofer低活馬氏體不銹鋼片經拋光、超聲清洗處理后置于石英管式氣氛爐中，在載水氬氣氛，在10_2°Pa氧分壓，700°C下氧化5h獲得含有氧化鉻的的氧化物涂層。之后將其置于石英管式氣氛爐中采用金屬有機物化學氣相沉積方法，在熱生長氧化物涂層上沉積氧化鋁涂層。圖2為阻氫滲透復合涂層的截面和表面掃描電鏡照片。其中，圖2(a)為阻氫滲透復合涂層的截面電鏡照片，如圖2(a)所示，在阻氫滲透復合涂層的截面形貌中，從下到上依次為不銹鋼基體、熱生長氧化物涂層和氧化鋁涂層。圖2(b)為阻氫滲透復合涂層的表面掃描電鏡照片，如圖2(b)所示，阻氫滲透復合涂層的表層氧化鋁涂層致密、無裂紋。圖3(a)為該復合涂層對EuiOfer不銹鋼的阻氫滲透性能曲線，400°C其氫滲透降低因子為870。實施例2F82H低活馬氏體不銹鋼經拋光、超聲清洗處理后置于石英管式氣氛爐中，在載水氬氣氛，在10_2°Pa氧分壓，在900°C下氧化5h獲得含有氧化鉻的的氧化物涂層。之后采用溶膠凝膠法在熱生長氧化物涂層上制備氧化鋁涂層。圖3為該復合涂層的EDS能譜元素深度分布，結果表明由外至內復合涂層分別為氧化鋁、熱生長氧化物涂層。圖3(b)為該復合涂層對F82H不銹鋼的阻 氫滲透性能曲線，400°C其氫滲透降低因子為910。
權利要求
1.一種阻氫滲透復合涂層，其特征在于，該復合涂層由在鋼基體原位熱生長的氧化物涂層作為內層，和氧化鋁涂層作為外層復合而成。
2.根據權利要求1所述的阻氫滲透復合涂層，其特征在于所述的鋼基體為含鉻合金鋼，所述的原位熱生長的氧化物涂層為含有氧化鉻的氧化物涂層。
3.一種制備權利要求1所述的阻氫滲透復合涂層的方法，其特征在于，在鋼基體原位熱生長的氧化物涂層，所述原位熱生長氧化物涂層是在10_15-10_2°Pa氧分壓和700-100(TC條件下，經過0.5-20小時氧化在鋼基體表面原位生長而成；并在原位熱生長氧化物涂層表面上直接沉積氧化鋁涂層。
4.根據權利要求3所述的制備阻氫滲透復合涂層的方法，其特征在于，所述的鋼基體為含鉻合金鋼，所述的原位熱生長的氧化物涂層為含有氧化鉻的氧化物涂層。
5.根據權利要求3所述的制備阻氫滲透復合涂層的方法，其特征在于，所述的氧化鋁涂層是由反應磁控濺射、等離子噴涂、化學氣相沉積、金屬有機物化學氣相沉積和溶膠凝膠法方法中的一種或多種而直接沉積在熱生`長氧化物涂層表面上。
全文摘要
本發明提供了一種鋼基阻氫滲透復合涂層及其制備方法。所述阻氫滲透涂層由鋼表面的熱生長氧化物涂層，以及熱生長氧化物涂層上的致密氧化鋁涂層構成。所述熱生長氧化物涂層通過鋼基體700-1000℃受控氧化處理獲得。所述氧化鋁阻氫滲透涂層是提供于所述鋼基體所提供的熱生長氧化物涂層之上。所述氧化鋁涂層的高溫結合力、熱循環性能由熱生長氧化物中間過渡層來改進。本發明制得的氧化鋁涂層結構致密、結合力強，具有優異的阻氫滲透性能和熱循環使用性能。
文檔編號C23C28/04GK103160828SQ201110408450
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月9日 優先權日2011年12月9日
發明者李帥, 劉曉鵬, 何迪, 于慶河, 王樹茂, 蔣利軍 申請人:北京有色金屬研究總院