一種不銹鋼基阻氫滲透復(fù)合涂層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種不銹鋼基阻氫滲透復(fù)合涂層。在不銹鋼基體上有阻氫滲透復(fù)合涂層，該阻氫滲透復(fù)合涂層自內(nèi)至外分別由不銹鋼基體表面的氧化鉻層、錳鉻尖晶石層以及氧化鋁層構(gòu)成。所述不銹鋼基體表面的氧化鉻層、錳鉻尖晶石層由不銹鋼基體表面原位氧化獲得。所述氧化鋁層直接沉積在氧化鉻層和錳鉻尖晶石層表面上。本發(fā)明制得的阻氫滲透復(fù)合涂層具有優(yōu)異的阻氫滲透性能和熱震性能，可廣泛應(yīng)用于涉氫領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)材料和器件的阻氫滲透涂層。
【專利說(shuō)明】一種不銹鋼基阻氫滲透復(fù)合涂層
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本方法涉及一種不銹鋼基阻氫滲透復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層可廣泛應(yīng)用于涉氫領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)材料和器件的阻氫滲透涂層。
【背景技術(shù)】
[0002]涉氫的應(yīng)用領(lǐng)域如氫的存儲(chǔ)、使用過程中都存在氫擴(kuò)散和滲透的問題。在太陽(yáng)能熱發(fā)電用集熱管中，氫的滲透和析出富集會(huì)導(dǎo)致集熱管熱損失的增加，降低集熱管的發(fā)電效率。在核聚變反應(yīng)堆中，氚增殖包層中的不銹鋼管路處于較高工作溫度，其氚滲透率會(huì)顯著升高，造成氚燃料的滲透和泄露，降低熱核聚變堆的商業(yè)價(jià)值并且導(dǎo)致放射性污染。為了解決涉氫應(yīng)用領(lǐng)域中氫滲透帶來(lái)的問題，可以通過采用在結(jié)構(gòu)材料表面制備滲透阻擋涂層的方法提高材料或器件的阻氫滲透性能。在各類涂層材料中，陶瓷具備氫滲透率低、熱穩(wěn)定性好、抗腐蝕性好和機(jī)械硬度高等優(yōu)點(diǎn)，是阻氫滲透涂層的首選材料。
[0003]目前，已經(jīng)開展研究的陶瓷阻氫滲透涂層材料主要有TiN、TiN/TiC、SiC、Er203、ZrO2, A1203、Cr2O3等。其中，氧化鋁具有優(yōu)異的阻氫滲透性能、化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性能等，其氫滲透降低因子高達(dá)103，被確定為最有潛力的阻氫滲透涂層材料之一 [J.Nucl.Mater.328(2004) 103]。此外，CN101469409A、CN101265603A、CN101845645A 公布了采用不同方法制備的Al或Fe/Al合金層與氧化鋁層復(fù)合的阻氫滲透涂層。此類阻氫滲透復(fù)合涂層對(duì)基體具有良好的結(jié)合性能，復(fù)合涂層對(duì)使用過程中可能形成的氧化鋁層微裂紋還具有自我修復(fù)的能力，因此成為近些年來(lái)阻氫滲透涂層的研究熱點(diǎn)之一。雖然Al或Fe/Al合金層與氧化鋁阻氫滲透復(fù)合涂層有如上的優(yōu)點(diǎn)，但Al或Fe/Al合金層的制備涉及金屬層涂覆及高溫后處理，制備工藝復(fù)雜，成本高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是提供一`種不銹鋼基體阻氫滲透復(fù)合涂層。該復(fù)合涂層結(jié)合了氧化鉻層與氧化鋁層的阻氫滲透性能，具有涂層制備工藝簡(jiǎn)單、阻氫滲透性能優(yōu)異的特點(diǎn)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種不銹鋼阻氫滲透復(fù)合涂層，在不銹鋼基體上有阻氫滲透復(fù)合涂層，該阻氫滲透復(fù)合涂層自內(nèi)至外分別由不銹鋼基體表面的氧化鉻層、錳鉻尖晶石層以及氧化鋁層構(gòu)成。
[0007]所述不銹鋼基體表面的氧化鉻層、錳鉻尖晶石層由不銹鋼原位氧化獲得。
[0008]所述錳鉻尖晶石由具有尖晶石結(jié)構(gòu)的MnxCryO4氧化物構(gòu)成，其中I≤x≤2，I≤y≤2，且2≤x+y≤3。
[0009]氧化鉻層的阻氫性能良好，不銹鋼表面原位氧化獲得氧化鉻層的制備工藝簡(jiǎn)單、成熟。研究表明，不銹鋼基體表面原位氧化獲得氧化鉻層成分并非單一的氧化鉻，氧化層自內(nèi)之外分別由致密的氧化鉻層和錳鉻尖晶石層構(gòu)成[中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，41 (2011)267]。涂層的阻氫滲透性能由致密氧化鉻層提供，氧化鉻層的氫滲透降低因子為10-102。因此，氧化鉻層與氧化鋁層復(fù)合的阻氫滲透涂層具備更優(yōu)的阻氫滲透性能。此外，氧化鉻與氧化鋁的熱膨脹系數(shù)匹配良好，分別為7.5 X KT6IT1和6.9 X KT6IT1,有利于獲得熱震性能優(yōu)良的復(fù)合涂層。
[0010]所述的氧化鋁層是由反應(yīng)磁控濺射、等離子噴涂、化學(xué)氣相沉積、金屬有機(jī)物化學(xué)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氧化鉻層和錳鉻尖晶石層表面上。
[0011]所述的不銹鋼基體表面的氧化鉻層和錳鉻尖晶石層的總厚度為0.5-5i!m，其中錳鉻尖晶石層的厚度為0-0.5微米，且厚度古O。所述的氧化鋁層的厚度為0.1-50 u Hi0
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的阻氫滲透復(fù)合涂層的優(yōu)點(diǎn)是:
[0013]1.阻氫滲透復(fù)合涂層結(jié)合了氧化鉻層和氧化鋁層阻氫滲透特性，因此涂層的阻氫滲透性能較單獨(dú)氧化鉻層或氧化鋁層更為優(yōu)異。
[0014]2.氧化鉻層和錳鉻尖晶石層能夠調(diào)節(jié)不銹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不銹鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為阻氫滲透復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為實(shí)施例1中的不銹鋼基體表面的氧化鉻層和錳鉻尖晶石層的截面電子掃描電鏡照片。
[0017]圖3為實(shí)施例1中的阻氫滲透復(fù)合涂層的X射線衍射圖譜。
[0018]圖4為實(shí)施例2中的阻氫滲透復(fù)合涂層的截面電子掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】`
[0019]阻氫滲透復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在不銹鋼基體I上有阻氫滲透復(fù)合涂層，該阻氫滲透復(fù)合涂層由自內(nèi)至外由氧化鉻層2，錳鉻尖晶石層3和氧化鋁涂層4復(fù)合而成。
[0020]本發(fā)明結(jié)合下列實(shí)施例和附圖進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不局限于下面實(shí)施例。
[0021]實(shí)施例1
[0022]I) 304不銹鋼片拋光、超聲清洗處理并吹干；
[0023]2)將清洗吹干的樣品置于石英管式氣氛爐中，在氬氣載水氣氛下827°C氧化5h獲得氧化鉻層和錳鉻尖晶石層。圖2是304不銹鋼表面氧化鉻層和錳鉻尖晶石層的截面形貌，其中I為304不銹鋼，2為氧化鉻層，3為錳鉻尖晶石層。圖3是304不銹鋼表面氧化鉻層和錳鉻尖晶石層的X射線衍射圖譜，涂層由氧化鉻與錳鉻尖晶石構(gòu)成。
[0024]3)將樣品置于石英管式氣氛爐中采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法沉積氧化鋁涂層，沉積溫度400°C，沉積時(shí)間4h。對(duì)獲得的復(fù)合涂層式樣進(jìn)行了氫滲透性能測(cè)試，結(jié)果表明600°C下該復(fù)合涂層對(duì)304不銹鋼的氫滲透降低因子為113-126，其氫滲透阻擋性能明顯優(yōu)于氧化鋁涂層式樣和氧化鉻涂層。
[0025]實(shí)施例2
[0026]I) 316不銹鋼片拋光、超聲清洗處理并吹干；
[0027]2)將清洗吹干的樣品置于石英管式氣氛爐中，在氬氣載水氣氛下877°C氧化5h獲得氧化鉻層和錳鉻尖晶石層。
[0028]3)將樣品置于石英管式氣氛爐中采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法沉積氧化鋁涂層，沉積溫度400°C，沉積時(shí)間4h。圖4為該阻氫滲透復(fù)合涂層的截面形貌，自內(nèi)至外分別是316不銹鋼基體I，氧化鉻層2、錳鉻尖晶石層3以及氧化鋁層4。對(duì)獲得的復(fù)合涂層式樣進(jìn)行了 700°C 30次熱循環(huán)后的氫滲透性能測(cè)試，600°C下復(fù)合涂層對(duì)316不銹鋼的氫滲透降低因子為107-132，熱循環(huán)后的復(fù)合涂層的氫滲透降低因子為110-127，該結(jié)果優(yōu)于氧化鋁涂層，因此復(fù)合涂層具有優(yōu)異的抗熱震性能。
【權(quán)利要求】
1.一種不銹鋼基阻氫滲透復(fù)合涂層，其特征在于，在不銹鋼基體上有阻氫滲透復(fù)合涂層，該阻氫滲透復(fù)合涂層自內(nèi)至外由不銹鋼基體表面的氧化鉻層、錳鉻尖晶石層以及氧化鋁層構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼基阻氫滲透復(fù)合涂層，其特征在于，所述不銹鋼基體表面的氧化鉻層、錳鉻尖晶石層由不銹鋼原位氧化獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的阻氫滲透復(fù)合涂層，其特征在于，所述錳鉻尖晶石由具有尖晶石結(jié)構(gòu)的MnxCryO4氧化物構(gòu)成,其中1≤x≤2,1≤7≤2,且2≤x+y ( 3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼基阻氫滲透復(fù)合涂層，其特征在于，所述的氧化鋁層是由反應(yīng)磁控濺射、等離子噴涂、化學(xué)氣相沉積、金屬有機(jī)物化學(xué)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氧化鉻層和錳鉻尖晶石層表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼基阻氫滲透復(fù)合涂層，其特征在于，所述的不銹鋼基體表面上的氧化鉻層和錳鉻尖晶石層的總厚度為0.5-5微米，其中錳鉻尖晶石層的厚度為0-0.5微米，且厚度古O。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼基阻氫滲透復(fù)合涂層，其特征在于所述的氧化鋁層的厚度為0.1-50微 米。
【文檔編號(hào)】B32B15/18GK103802385SQ201210449522
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月12日
【發(fā)明者】李帥, 劉曉鵬, 何迪, 于慶河, 王樹茂, 蔣利軍 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院