專利名稱：一種在鋯晶體表面鍍鋯銅非晶合金膜的方法
技術領域：
本發明涉及一種鍍非晶合金薄膜的方法，特別是涉及一種在鋯表面鍍非晶合金薄膜的方法。
背景技術：
隨著我國核電事業的發展，以及第四代核反應堆概念堆的提出，研究新材料已經成為建造第四代堆型的迫在眉睫事情。對于反應堆來說，制約其發展的重要因素是包殼材料該包殼材料要求具有以下條件1.具有良好的核性能，也就是中子吸收截面要小，感生
放射性要弱；2.具有較好的導熱性能；3.與核燃料的相容性要好；4.具有良好的機械性能，即能夠提供合適的機械強度和韌性，使得在燃耗較深的條件下，仍能保持燃料元件的機械完整性；5.應有良好的抗腐蝕能力；6.具有良好的輻照穩定性；7.容易加工成形，成本低廉，便于后處理?，F有的陶瓷包殼膜由于脆性大，熱中子吸收截面大，熱膨脹系數與鋯合金基體相差比較大從而導致容易脫落，這一系列因素大大影響了其在包殼材料中的使用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種低成本，工藝可控性強，且易于工業化規模生產的非晶態ZrCu薄膜材料的制備方法，能獲得結合性強，膜質均勻致密，力學性能優異，耐腐蝕性能強，抗中子輻照能力強的ZrCu非晶合金薄膜材料，滿足于核反應堆中燃料包殼膜的需求。本發明是通過以下技術方案實現的
一種在鋯晶體表面鍍鋯銅非晶合金膜的方法，包括以下步驟
(1)靶材選取
以銅-鋯合金靶(Zr Cu=65:35 (原子比))，或者高純銅靶、高純鋯靶作為濺射靶，將靶材放置于磁控濺射室；
(2)襯底處理
將鋯工件表面精細拋光、置于超聲波清洗器中有機溶劑清洗并晾干，將處理后的工件置于磁控濺射鍍膜機中；
所述的有機溶劑是丙酮和酒精；
(3)制備ZrCu非晶合金薄膜
預抽真空至優于5X10_4Pa，通入高純氬氣，調節真空度至0.35Pa，開啟偏壓電源，偏壓清洗2-10分鐘，隨后關閉偏壓電源，開啟裝有靶材的濺射源，靶材到襯底的距離是80mm，預濺射2-5分鐘，開啟擋板，濺射溫度為室溫，對襯底進行循環水冷處理，關閉濺射源，鋯工件表面形成一層O. 69"!. 05um的錯銅非晶合金薄膜；
當靶材為合金靶時，合金靶的功率是80W，沉積2(Γ35分鐘；
當靶材為高純銅靶、高純鋯靶時，鋯靶的功率是80W，調節銅靶的功率至1(T40W，沉積20分鐘，銅靶和鋯靶的傾斜角均為60度。非晶態合金無位錯、無晶界、無第二相，是無晶體缺陷的凝聚態材料，具有許多性能優勢，比如具有很高的機械強度、優良的彈性性能、良好的抗腐蝕能力、抗輻照能力強等優點，是一種潛在的核材料。反應堆中的廣泛應用合金材料是Zr，而Cu很少使用，但鋯和銅都具有較高的熱傳導性能，發明人猜測Zr-Cu非晶合金可能是一種良好的反應堆燃料包殼膜。因此發明人選用直流磁控濺射法制備ZrCu非晶合金薄膜，所得材料具有良好的力學性能和抗腐蝕性能，以及較強的抗中子輻照能力，與反應堆包殼材料鋯合金成分接近，因此具有相近的熱膨脹系數，高溫環境中不易脫落，因此本發明制備的ZrCu薄膜可應用于核反應堆燃料包殼膜。
圖I是不同濺射時間的X射線衍射譜，從圖中可以看出均為平緩的饅頭峰，說明本發明的薄膜是非晶或納米晶(曲線a-實施例I、曲線b-實施例2、曲線C-實施例3、曲線d-實施例4。圖2是濺射時間為20分鐘80W (實施例I)的高分辨透射電子顯微圖，可見存在大量無序的原子排列，進一步證實本發明為非晶態薄膜。 圖3是濺射時間為30分鐘80W (實施例3)的掃描電鏡圖，可以看出薄膜的厚度大致為0.99um，且具有很好的平整度。圖4是濺射30分鐘(實施例3)的復合材料與純鋯工件的應力應變曲線，從圖中可以看出，復合材料的抗拉能力要強于純鋯工件，而且塑性形變也有一定的提高。
具體實施例方式 下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例I
在鋯晶體表面鍍鋯銅非晶合金膜的方法，包括以下步驟
(1)靶材選取
選取純度為99. 999%的高純銅與99. 2%的鋯熔煉成合金靶，Zr和Cu的原子比為65:35，合金祀的尺寸為2英寸X 4mm,將祀材放入磁控派射室；
(2)襯底處理
將鋯工件表面經過精細拋光，置于超聲波清洗器中，用丙酮和酒精各清洗15分鐘，用吹風機吹干。將處理后的工件置于磁控濺射鍍膜機中；
(3)制備ZrCu非晶合金薄膜
預抽真空至優于5X 10_4Pa，通入99. 999%的高純氬氣，調節真空度至O. 35Pa,開啟偏壓電源至-434V，偏壓清洗2-10分鐘，隨后關閉偏壓電源，開啟裝有鋯銅合金靶的濺射源，預濺射2-5分鐘后開啟擋板，調節功率至80W，沉積20分鐘，對襯底進行循環水冷處理，靶材到襯底的距離是80mm。關閉濺射源，最后取出，鋯工件表面形成一層大約O. 69um的鋯銅非晶合金薄膜。實施例2
本實施中步驟(3)的沉積時間是25分鐘，其他實施條件和實施例I相同，制得的ZrCu非晶合金的薄膜厚度大約O. 98um。實施例3
本實施中步驟(3)的沉積時間是30分鐘，其他實施條件和實施例I相同，制得的ZrCu非晶合金的薄膜厚度大約O. 99um。實施例4
本實施中步驟(3)的沉積時間是35分鐘，其他實施條件和實施例I相同，制得的ZrCu非晶合金的薄膜厚度大約I. 05um。實施例5
利用磁控濺射法制備ZrCu非晶合金薄膜的方法，與實施例不同之處在于，步驟(I)中選取純度為99. 999%的銅靶和純度為99. 2%的鋯靶作為濺射靶；步驟(3)中鋯靶的功率是80W,調節銅靶的功率至10W，沉積20分鐘，銅靶和鋯靶的傾斜角均為60度，靶材到襯底的距離均為80mm。最后在錯工件表面形成一層大約O. 53um厚,成分為Zr8tlCu2tl的錯銅非晶合金薄膜。
實施例6
與實施例5不同之處在于步驟(3)中鋯靶的功率是80W，調節銅靶的功率至20W。最后在鋯工件表面形成一層大約O. 60um厚，成分為Zr65Cu35的鋯銅非晶合金薄膜。實施例7
與實施例5不同之處在于步驟(3)中鋯靶的功率是80W，銅靶的功率至30W。最后在鋯工件表面形成一層大約O. 69um厚,成分為Zr5tlCu5tl的錯銅非晶合金薄膜。實施例8
與實施例5不同之處在于步驟(3)中鋯靶的功率是80W，調節銅靶的功率至40W。最后在鋯工件表面形成一層大約O. 7Ium厚，成分為Zr48Cu52的鋯銅非晶合金薄膜。
權利要求
1.一種在鋯晶體表面鍍鋯銅非晶合金膜的方法，其特征在于包括以下步驟 (1)靶材選取 以銅-鋯合金靶(Zr Cu=65:35 (原子比))，或者高純銅靶、高純鋯靶作為濺射靶，將靶材放置于磁控濺射室； (2)襯底處理 將鋯工件表面精細拋光、置于超聲波清洗器中有機溶劑清洗并晾干，將處理后的工件置于磁控濺射鍍膜機中； (3)制備ZrCu非晶合金薄膜 預抽真空至優于5X10_4Pa，通入高純氬氣，調節真空度至0.35Pa，開啟偏壓電源，偏壓清洗2-10分鐘，隨后關閉偏壓電源，開啟裝有靶材的濺射源，靶材到襯底的距離是80mm，預濺射2-5分鐘，開啟擋板，濺射溫度為室溫，對襯底進行循環水冷處理，關閉濺射源，鋯工件表面形成O. 69^1. 05um厚的鋯銅非晶合金薄膜； 當靶材為合金靶時，合金靶的功率是80W，沉積2(Γ35分鐘； 當靶材為高純銅靶、高純鋯靶時，鋯靶的功率是80W，調節銅靶的功率至1(T40W，沉積20分鐘，銅靶和鋯靶的傾斜角均為60度。
2.根據權利要求I所述的在鋯晶體表面鍍鋯銅非晶合金膜的方法，其特征在于所述的有機溶劑是丙酮和酒精。
全文摘要
本發明公開了一種在鋯晶體表面鍍鋯銅非晶合金薄膜的方法，是將經過精細拋光、清洗烘干的鋯工件置于磁控濺射鍍膜機中，預抽真空至優于5×10-4Pa，通入高純氬氣，調節真空度至0.35Pa，開啟裝有鋯銅合金靶、或者高純鋯靶、銅靶的濺射源，調節功率至40~80W，沉積20~35分鐘，關閉濺射源，即可制備0.69~1.05um的鋯銅非晶合金膜，該膜與鋯基體結合性能好，對鋯基體的力學性能有所提高，能增強抗腐蝕性能和提高抗輻照能力。
文檔編號C23C14/35GK102899615SQ20121034302
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月17日 優先權日2012年9月17日
發明者楊亮, 黃才龍, 戈濤, 郭古青, 孟祥飛 申請人:南京航空航天大學