專利名稱：一種鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼基體表面的氧化鋁涂層制備方法，屬于金屬材料表面功能涂層制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化鋁涂層具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨蝕等優(yōu)點而廣泛用于能源、化工等領(lǐng)域。在加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)中由于利用液態(tài)鉛鉍合金(LBE)作為ADS系統(tǒng)的散裂靶兼冷卻劑導(dǎo)致高溫流動的LBE通過溶解、沖刷、侵蝕等一系列物理和化學過程對結(jié)構(gòu)鋼材進行腐蝕，最終影響結(jié)構(gòu)材料性能，造成一定安全隱患。因此，實際運行的鉛鉍冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)必須解決LBE與結(jié)構(gòu)材料相容性等關(guān)鍵科學和實際工程問題。對不同組分結(jié)構(gòu)鋼樣品在LBE腐蝕機理的研究發(fā)現(xiàn)，在低溫LBE中結(jié)構(gòu)鋼材腐蝕不明顯，溫度升高氧化腐蝕及溶解腐蝕加劇導(dǎo)致結(jié)構(gòu)鋼材失效。奧氏體鋼與馬氏體鋼相比，由于含有更多的Ni而更容易被腐蝕。對于500°C以上運行的ADS系統(tǒng)，必須在結(jié)構(gòu)材料表面進行涂層的保護。在不銹鋼表面制備一層鋁，通過鋁的擴散在不銹鋼表面造成一個含鋁的濃度梯度，形成鋁基金屬間化合物層，表面形成Al2O3層。鋁基金屬間化合物層保證了涂層和不銹鋼之間良好的附著性能·，表面的Al2O3層可以有效阻止陽離子和陰離子的擴散，即保證了長期運行同時又不會導(dǎo)致不銹鋼的過度氧化。當這層氧化物受到破壞時，內(nèi)部的陽離子會擴散到缺陷位置進行自修復(fù)。通過熱浸鋁、表面包裹鋁箔、包埋共滲等方法在不銹鋼表面制備不同厚度的鋁，但研究發(fā)現(xiàn)涂層的耐腐蝕能力和制備方法及涂層中的鋁含量密切相關(guān)。熱浸鋁制備的鋁層往往較厚，甚至無法經(jīng)受420°C LBE的腐蝕；對于馬氏體鋼，由于熱浸鋁制備的鋁層中鋁快速擴散進入不銹鋼中導(dǎo)致出現(xiàn)100微米厚的互擴散層，因此，熱浸鋁加后續(xù)熱處理工藝不適合馬氏體鋼。包裹鋁箔形成的鋁層可以經(jīng)受600°C腐蝕，且鋁的含量可以通過控制鋁箔的厚度實現(xiàn)，但這種方法還不適合管內(nèi)壁等復(fù)雜構(gòu)件，而且這種工藝不適合馬氏體不銹鋼，因為熱處理過程中的高溫會導(dǎo)致鋁很高的擴散系數(shù)。利用真空蒸發(fā)鍍鋁具有特有的優(yōu)勢。熱蒸發(fā)法作為物理氣相沉積(PhysicalVapor Deposition, PVD)中的一種,是一種能獲得納米至微米級薄膜且無污染的環(huán)保型表面薄膜制備方法，在不影響基體尺寸的情況下，提高表面強度、增強耐腐性和摩擦磨損等性能。近年來，PVD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、化工、能源和生物工程等領(lǐng)域制備功能涂層。將熱蒸發(fā)技術(shù)用于氧化鋁涂層的制備具有以下優(yōu)勢:1)可以在不銹鋼上得到致密的鋁膜，在鍍膜過程中鋁膜通過擴散附著在基底上成膜，有利于后處理過程中鋁向不銹鋼的擴散，同時最外層的氧化鋁膜與基底之間結(jié)合力強；2)蒸鍍過程中鋁膜的厚度可以通過晶控儀精確控制，這有助于優(yōu)化過渡層的厚度、鋁的濃度以及最外層氧化鋁的厚度，有望用于制備高質(zhì)量LBE中的防腐蝕涂層
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法，其目的是在保證涂層致密度和結(jié)合強度的前提下，控制涂層中的鋁含量，實現(xiàn)優(yōu)良的抗腐蝕性能。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:1、一種鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下:( I)對鋼基體工件進行表面清潔處理后，放入熱蒸發(fā)腔中，采用真空蒸發(fā)在鋼基體表面制備一層均勻致密、與鋼基體結(jié)合良好的鋁鍍層；(2)將鍍鋁后的鋼基體工件放入保護氣氛中熱處理，通過鋁鍍層與鋼基體的互擴散使表面晶化的氧化鋁涂層與鋼基體之間產(chǎn)生中間層。通過熱沖擊實驗表明涂層具有良好的附著性能。所述步驟(I)的真空蒸發(fā)腔的真空度為10_4-10_3Pa。所述步驟(2)中的熱處理溫度為700-800oC，熱處理氣氛為氮氣或者氬氣，熱處理時間為2-5小時，以保證涂層中鋁的重量百分比不超過15%。所述步驟(2)中氧化鋁層的厚度根據(jù)涂層性能要求在2-20微米范圍內(nèi)可調(diào)，同時在氧化鋁和鋼基體之間存在1-5微米的中間層以實現(xiàn)涂層具有良好的附著性能；所述鋁鍍層的厚度通過晶控儀精確控制，有助于優(yōu)化過渡層的厚度、鋁的濃度以及最外層氧化鋁的厚度。所述步驟(I)中的鋼基體為所有鋼基材料，包括不同工業(yè)行業(yè)常用的奧氏體鋼316，316L及核能系統(tǒng)使用的低活化鐵素體/馬氏體鋼和T91鋼。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
(I)本發(fā)明利用熱蒸發(fā)方法在結(jié)構(gòu)鋼材表面沉積鋁鍍層，其厚度可以通過晶控儀精確控制，這有助于優(yōu)化中間層的厚度、鋁的濃度以及最外層氧化鋁的厚度。同時，涂層致密無孔洞，厚度可調(diào)且均勻一致，克服了熱浸鋁等方法對鍍層厚度和均勻性難以控制的缺點。(2)通過保護氣氛熱處理，不僅在氧化鋁涂層和鋼基體間形成了致密的中間層，而且避免了鋼基體的過度氧化。中間層有效提高了涂層的抗熱震和抗沖擊性能，而且克服了傳統(tǒng)涂層易開裂、易剝落等問題。(3)工藝穩(wěn)定可靠，無廢氣廢渣產(chǎn)生，不污染環(huán)境。(4)基于本發(fā)明所述的鋼基材料表面的氧化鋁涂層制備方法的廣泛適用性以及優(yōu)異的涂層性能表現(xiàn)，可以很好地解決ADS核能系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)鋼材耐腐蝕、耐磨損等難題，且還可用在能源、化工等工業(yè)領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；圖2為本發(fā)明制備的涂層結(jié)構(gòu)示意圖，其中I為鋼基體材料，2為中間層，3為氧化
鋁層；圖3為316上氧化鋁涂層氮氣中熱處理后表面的EDS結(jié)果；圖4為316上氧化鋁涂層在550°C的液態(tài)鉛鉍中腐蝕1000小時后截面SEM照片及EDS線掃描結(jié)果，其中左邊是涂層斷面的SEM照片，右邊是涂層斷面的EDS線掃描結(jié)果。
具體實施例方式以下將結(jié)合實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步的詳述。實施實例I將馬氏體鋼T91、奧氏體不銹鋼316、316L等結(jié)構(gòu)鋼材表面經(jīng)過400，600, 800, 1000
目砂紙打磨后，先后放入乙醇和丙酮的溶液中超聲清洗5-10分鐘后，取出吹干。將清洗干凈的鋼材放入熱蒸發(fā)設(shè)備中的襯底支架上，待真空達到2X 10_3Pa后開始沉積單質(zhì)鋁層。將一定量的鋁絲放入鎢坩堝，鋼材與坩堝的距離為30厘米。緩慢提高電流至200安培后開始熱蒸發(fā)過程，待鋁絲全部蒸發(fā)完后，將電流降為零。在真空腔中通入氮氣，打開真空腔，取出表面覆蓋了鋁鍍層的鋼材，鋁鍍層的厚度為3微米。將表面為單質(zhì)鋁的結(jié)構(gòu)鋼材放入氣氛爐中，通入高純氮氣，同時緩慢升溫至700°C，保溫2小時后，在氮氣氣氛保護下冷卻至室溫取出。實施實例2將馬氏體鋼T91、奧氏體不銹鋼316、316L等結(jié)構(gòu)鋼材表面經(jīng)過400，600, 800, 1000
目砂紙打磨后，先后放入乙醇和丙酮的溶液中超聲清洗5-10分鐘后，取出吹干。將清洗干凈的鋼材放入熱蒸發(fā)設(shè)備中的襯底支架上，待真空達到2X 10_3Pa后開始沉積單質(zhì)鋁層。將一定量的鋁絲放入鎢坩堝，鋼材與坩堝的距離為30厘米。緩慢提高電流至200安培后開始熱蒸發(fā)過程，待鋁絲全部蒸發(fā)完后，將電流降為零。在真空腔中通入氮氣，打開真空腔，取出表面覆蓋了鋁鍍層的鋼材，鋁鍍層的厚度為7微米。將表面為單質(zhì)鋁的結(jié)構(gòu)鋼材放入氣氛爐中，通入高純氮氣，同時緩慢升溫至750°C，保溫2小時后，在氮氣氣氛保護下冷卻至室溫取出。
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實施實例3將馬氏體鋼T91、奧氏體不銹鋼316、316L等結(jié)構(gòu)鋼材表面經(jīng)過400，600, 800, 1000
目砂紙打磨后，先后放入乙醇和丙酮的溶液中超聲清洗5-10分鐘后，取出吹干。將清洗干凈的鋼材放入熱蒸發(fā)設(shè)備中的襯底支架上，待真空達到2X 10_3Pa后開始沉積單質(zhì)鋁層。將一定量的鋁絲放入鎢坩堝，鋼材與坩堝的距離為30厘米。緩慢提高電流至200安培后開始熱蒸發(fā)過程，待鋁絲全部蒸發(fā)完后，將電流降為零。在真空腔中通入氮氣，打開真空腔，取出表面覆蓋了鋁鍍層的鋼材，鋁鍍層的厚度為10微米。將表面為單質(zhì)鋁的結(jié)構(gòu)鋼材放入氣氛爐中，通入高純氬氣，同時緩慢升溫至800°C，保溫2小時后，在氮氣氣氛保護下冷卻至室溫取出。用掃描電鏡對涂層的表面、截面形貌、涂層與基體材料的結(jié)合進行分析；采用能量色散譜EDS分析涂層表面、截面的成分；采用金相顯微鏡觀察涂層的孔隙率；通過熱沖擊實驗測試涂層的附著性能。結(jié)果表明:涂層致密，表面和截面無明顯的孔隙和微裂紋；涂層由鋁-鐵-氧三種元素成分構(gòu)成，涂層表面為氧化鋁，其中鋁的重量含量在13-15%之間，如圖3所示。涂層與基體的結(jié)合良好，結(jié)合面無明顯的孔隙出現(xiàn)。將涂層樣品放入550°C的液態(tài)鉛鉍中腐蝕1000小時來考核涂層的抗腐蝕性能。腐蝕結(jié)束后利用1:1:1的乙醇:雙氧水:乙酸混合液除去表面殘留的鉛鉍，對腐蝕后的樣品同樣采用掃描電鏡、EDS、金相顯微鏡測試其組分、形貌及涂層與鋼基體的結(jié)合情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用熱蒸發(fā)法制備的氧化鋁涂層具有良好的抗高溫液態(tài)鉛鉍腐蝕性能，如圖4所示。
需要說明的是，按照本發(fā)明上述各實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員是完全可以實現(xiàn)本發(fā)明獨立權(quán)利要求及從屬權(quán)利的全部范圍的，實現(xiàn)過程及方法同上述各實施例；且本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。以上所述，僅為本發(fā)明部分具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的人員 在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下: (1)對鋼基體工件進行表面清潔處理后，放入熱蒸發(fā)腔中，采用真空蒸發(fā)在鋼基體表面制備一層均勻致密、與鋼基體結(jié)合良好的鋁鍍層；所述真空蒸發(fā)腔的真空度為KT4-1O-3Pa ； (2)將鍍鋁后的鋼基體工件放入保護氣氛中熱處理，通過鋁鍍層與鋼基體的互擴散使表面晶化的氧化鋁涂層與鋼基體之間產(chǎn)生中間層，實現(xiàn)涂層良好的附著性能；所述熱處理溫度為700-800° C，熱處理氣氛為氮氣或者氬氣，熱處理時間為2-5小時，以保證涂層中鋁的重量百分比不超過15%;所述氧化鋁層的厚度根據(jù)涂層性能要求在2-20微米范圍內(nèi)可調(diào)，同時在氧化鋁和鋼基體之間存在1-5微米的中間層以實現(xiàn)涂層具有良好的附著性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中鋁鍍層的厚度通過晶控儀精確控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法，其特征在于:所述步驟 (I)中的鋼基體為所有鋼基材料，包括不同工業(yè)行業(yè)常用的奧氏體鋼316，316L及核能系統(tǒng)使用的低活化鐵素體/馬氏體鋼和T91鋼。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法，其特征是利用熱蒸發(fā)方法在結(jié)構(gòu)鋼材表面沉積一層厚度的鋁鍍層，然后通過保護氣氛后退火獲得氧化鋁涂層。本發(fā)明的主要優(yōu)勢在于熱蒸發(fā)法制備的涂層厚度可控，致密、孔隙率低、與鋼基體的結(jié)合強度好，具有良好的抗腐蝕性能，是一種能夠滿足ADS中結(jié)構(gòu)鋼材表面的防腐蝕要求的優(yōu)良防護涂層。
文檔編號C23C14/24GK103114267SQ20131004810
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者董偉偉, 周曙, 方曉東, 鄧贊紅, 邵景珍 申請人:中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院