阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及阻氢材料领域，确切地说是一种a -Al2O3阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法。
【背景技术】
[0002]由于氢同位素氚的放射性和昂贵造价，氚在聚变堆材料中的渗透与滞留行为直接关系着未来聚变堆运行的经济性与安全性。目前，聚变堆包层结构材料以高渗透的钢铁、钒合金为主要候选材料，阻氢材料的开发及应用将直接影响到氚增值效率。目前一种可行的方案是，在包层结构材料表面形成渗透率低的陶瓷氚渗透阻挡层，这样既可以保证材料的结构性能，同时又能抑制氚渗透。随着聚变研究的发展，国际及国内已经开发了一系列的涂层材料用于聚变堆包层结构材料表面和储氚容器壁表面，氧化铝具有优异的阻氢渗透性能，一直以来是阻氢涂层的研究热点。然而，致密性最好、阻氚性能最佳的Ct-Al2O3的形成温度一般在1150°C以上，远远高于基体(低活化铁素体马氏体钢等)的相变温度(低活化铁素体钢相变温度约为850°C)，专利号CN 103160828中，公布了一种钢基氧化铝阻氢渗透复合涂层的制备工艺，该工艺采用磁控溅射、等离子体喷涂等工艺获得的氧化铝涂层为非晶态或γ相氧化铝，其阻氚效果远远差于α_Α1203。考虑到阻氢渗透层在液态包层中的可能应用，要求涂层具有电绝缘性及耐液态金属腐蚀能力。同时，考虑到聚变堆环境下涂层会受到中子的辐照，并可能会受到液态氚增殖剂及液态冷却剂的腐蚀，其阻氚效果将会随着工作时间的增长而剧烈降低，因此涂层最好具有自修复性能。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种a -Al2O3阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法。
[0004]上述目的通过以下方案实现:
一种a -Al2O3阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法，其特征在于:包括以下步骤:
(1)在基体材料表面形成铬铝合金层；
(2)再在大气或其他富氧氛围内进行500-800°C原位热氧化，保温退火，即可获得一层致密a - Al2O3阻氢渗透层。
[0005]所述的一种a -Al2O3阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法，其特征在于:在基体材料表面形成铬铝合金层的方法为:用磁控溅射、或化学气相沉积、或喷涂的方法在基体材料表面依次镀一层铬和一层铝，后进行热处理获得铬铝合金层。
[0006]所述的一种a -Al2O3阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法，其特征在于:在基体材料表面形成铬铝合金层的方法为:通过直接溅射铬铝合金靶或者喷涂铬铝合金粉直接获得铬铝合金层。
[0007]所述的一种a -Al2O3阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法，其特征在于:所述的铬招合金为 Al7Cr, Al11Cr2 , Al4Cr , Al11Cr4，Al9Cr4 , Al8Cr5，AlCr , AlCr2中的一种或几种的混合。
[0008]用磁控溅射、化学气相沉积或喷涂在基体材料表面依次镀一层铬和一层铝，然后进行热处理获得铬铝合金层或者通过直接溅射铬铝合金靶或者喷涂铬铝合金粉直接获得铬铝合金层，铬铝合金化学成分为 Al7Cr, Al11Cr2，Al4Cr，Al11Cr4，Al9Cr4 , Al8Cr5，AlCr，AlCr20随后。在大气或其他富氧氛围内进行500_800°C原位热氧化，保温退火，则可获得一层致密a - Al2O3阻氢渗透层。
[0009]本发明的有益效果为:为满足聚变阻氢渗透材料的基本要求，本发明将包层结构材料原位低温获得a -Al2O3阻氢渗透层概念引入到阻氢渗透涂层的研发领域，利用磁控溅射或喷涂(真空等离子体喷涂、超音速火焰喷涂、气体动力喷涂等)在基体表面制备10-100微米的铬铝合金层，然后进行原位氧化获得约10nm厚致密且具有极好阻氢渗透效果的a -Al2O3氧化层。整个过程中，基体表面温度控制在800 0C以下，避免在阻氢层制备过程中高温导致的基体相变进而影响其力学性能。形成的氧化层稳定后进行进一步的氧化，氧化层和基体之间会有剩余的铬铝合金作为中间过渡层，增强氧化层和基体的结合力，同时改善基体与氧化层之间的热胀系数不匹配。同时，在Ct-Al2O3氧化层因为受到中子的辐照及可能的腐蚀影响导致阻氢渗透效率下降后，可以通过再次原位氧化的方式来对氧化层进行修复重新恢复高效阻氢功能，即实现自修复。
【具体实施方式】
[0010]下面结合具体实例对本发明做进一步的详细说明。本发明的a -Al2O3阻氢渗透耐腐蚀绝缘层制备方法并不限于特定的原料或工艺，以下所述两例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0011]实施实例1:
基体材料为低活化铁素体马氏体钢，以F82H为例，其化学成分(重量百分比)主要为Cr:7.46, C:0.09, Μη:0.21，ff:l.96, Ta:0.023, S1:0.24, V:0.19。基体切成片状，除锈除油喷砂，并利用喷枪火焰尾部对基体进行预热。喷涂粉料为利用球磨-喷雾造粒-烧结法技术制备的铬铝合金(Al9Cr5)球形粉末，粉末平均粒度约为30 μ m。为了进一步防止喷涂过程中基体温升过大，将样品固定在铜热沉上，并通水冷却。以丙烷为助燃剂，氧气为助燃剂，氮气为载粉气，控制基体表面与喷涂方向成垂直角度，可获得所需铬铝合金层。利用渗透液体称量法获得，合金层的孔隙率约为8%。
[0012]对合金层涂覆样品在大气环境下750°C保温10h，然后退火。可以在合金层表面获得一层IlOnm厚的致密无裂纹的α-Α1203。氧化层的结合强度为13Mpa。经过350°C_550°C温度范围内10-105pa氘气相驱动渗透测试，其氘渗透率/扩散系数相比母材有约10000倍的下降。
[0013]实施实例2:
基体材料为V-4Cr-4Ti，化学成分(重量百分比)主要为Cr:4.02%，T1:3.98%, O:0.0148%，H: 0.029%，C:0.0067%, N: 0.0122%，余量为 V。
[0014]基体切成片状，机械打磨抛光至镜面，再依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗。磁控溅射腔室真空度控制在1.0X 10 4Pa,并选用99.99%纯的铬、铝直流靶，每次溅射前通过预溅射20min去除靶面吸附气体和氧化层。双靶共溅射，并控制各靶的溅射功率，获得10 μ m的溅射合金层，样品取出后真空退火，退火温度为700°C，退火时间为4h。合金层的孔隙率约为12%
对合金层涂覆样品在大气环境下750°C保温10h，然后退火。可以在合金层表面获得一层10nm厚的致密无裂纹的α-Α1203。氧化层的结合强度为11.5Mpa。经过350°C_550°C温度范围内10-105pa氘气相驱动渗透测试，其氘渗透率/扩散系数相比母材有约20000倍的下降。
【主权项】
1.一种α -Al 203阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)在基体材料表面形成铬铝合金层； (2)再在大气或其他富氧氛围内进行500-800°C原位热氧化，保温退火，即可获得一层致密a - Al2O3阻氢渗透层。2.根据权利要求1所述的一种α-Al 203阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法，其特征在于:在基体材料表面形成铬铝合金层的方法为:用磁控溅射、或化学气相沉积、或喷涂的方法在基体材料表面依次镀一层铬和一层铝，后进行热处理获得铬铝合金层。3.根据权利要求1所述的一种α-Al 203阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法，其特征在于:在基体材料表面形成铬铝合金层的方法为:通过直接溅射铬铝合金靶或者喷涂铬铝合金粉直接获得铬铝合金层。4.根据权利要求2或3所述的一种α-Al 203阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法，其特征在于:所述的铬铝合金为 Al7Cr, Al11Cr2，Al4Cr，Al11Cr4，Al9Cr4 , Al8Cr5，AlCr，AlCr2中的一种或几种的混合。
【专利摘要】本发明公开了一种α-Al2O3阻氢渗透耐腐蚀绝缘层的制备方法，包括以下步骤：（1）在基体材料表面形成铬铝合金层；（2）再在大气或其他富氧氛围内进行500-800oC原位热氧化，保温退火，即可获得一层致密α-Al2O3阻氢渗透层。整个过程中，基体表面温度控制在800oC以下，避免在阻氢层制备过程中高温导致的基体相变进而影响其力学性能。形成的氧化层稳定后进行进一步的氧化，氧化层和基体之间会有剩余的铬铝合金作为中间过渡层，增强氧化层和基体的结合力，同时改善基体与氧化层之间的热胀系数不匹配。
【IPC分类】C23C8/10, C23C28/00
【公开号】CN105154878
【申请号】CN201510440509
【发明人】徐玉平, 赵四祥, 周海山, 罗广南, 李小椿, 刘凤, 安仲庆, 汪京
【申请人】中国科学院等离子体物理研究所
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年7月24日