本發(fā)明涉及材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種在鋯合金表面制備非晶納米晶涂層的方法。

背景技術(shù)：

鋯合金以突出的核性能、良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能被廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料和化工耐腐蝕設(shè)備。但隨著新型核電冷卻堆的提出與設(shè)計(jì)，核燃料燃耗不斷加深，反應(yīng)堆內(nèi)有著更高的中子通量，其工況條件更加惡劣。因此，從滿足工業(yè)應(yīng)用的角度有效地提高鋯合金的防腐耐磨性能，成為鋯合金材料應(yīng)用中需要解決的難題。

目前，鋯合金常采用的表面防護(hù)主要是通過(guò)微弧氧化、陽(yáng)極氧化、高壓釜預(yù)生膜技術(shù)制備氧化鋯薄膜。但生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，成本過(guò)高。另外，由于氧化鋯薄膜與鋯合金的熱膨脹系數(shù)的差異，在實(shí)際應(yīng)用中容易脫落。

非晶納米晶作為一種新型的材料，有非晶相和納米晶相混合組成。納米晶結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度，可以直接提高材料本身的耐磨損性能，而非晶相由于其沒(méi)有易被腐蝕的晶界，從而可以提高材料的抗腐蝕性能。將非晶化技術(shù)與納米化技術(shù)相結(jié)合，制備防腐耐蝕綜合性能優(yōu)異的非晶納米晶涂層具有廣闊應(yīng)用前景。

然而，目前制備非晶納米晶材料主要是通過(guò)對(duì)非晶材料進(jìn)行退火晶化、機(jī)械晶化等。但這些方法操作復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，效率低，成本高。因此發(fā)明一種簡(jiǎn)單可行的非晶納米晶制備方法，有利于非晶納米晶材料的發(fā)展和應(yīng)用。本發(fā)明就是利用鋯銅合金靶單靶濺射制備非晶納米晶復(fù)合涂層。這是一種低成本，工藝可控性強(qiáng)，且易于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的zrcu非晶態(tài)納米晶涂層的制備方法，且涂層結(jié)合性強(qiáng)，組織均勻致密，具有優(yōu)異的防腐耐磨性能，對(duì)基體材料起到表面保護(hù)的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種采用單靶濺射法制備非晶納米晶復(fù)合涂層的方法。該方法通過(guò)選取一定原子比例的靶材(zr75cu25)，采用單靶磁控濺射在基體上直接制備出非晶相和納米晶相均勻共存的非晶納米晶復(fù)合涂層。本發(fā)明制備的非晶納米晶復(fù)合涂層組織均勻、致密，涂層和基體結(jié)合良好，結(jié)合處沒(méi)有孔隙和裂紋。此外，本發(fā)明制備的涂層具有優(yōu)異的防腐耐磨性能，該涂層可用作核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料和化工零件的保護(hù)涂層，提高零件的使用壽命。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種在鋯合金表面制備非晶納米晶涂層的方法，包括以下步驟：

1)靶材選取

選取鋯-銅合金靶，或者高純銅靶、高純鋯靶作為濺射靶，zr:cu的原子比為75:25，將靶材放置于磁控濺射室；

2)襯底處理

將表面拋光的純鋯基體依次用丙酮、酒精和去離子水超聲處理20～30分鐘，自然晾干，將處理后的鋯片置于磁控濺射真空室內(nèi)的樣品臺(tái)上，準(zhǔn)備鍍膜；

3)制備zrcu非晶納米晶復(fù)合涂層

首先將真空室的氣壓抽至5×10^-4pa，然后通入80sccm的高純氬氣至真空室內(nèi)，調(diào)節(jié)真空度至0.35pa；開(kāi)啟偏壓電源，對(duì)步驟2)處理過(guò)的鋯基體表面進(jìn)行偏壓清洗10～20分鐘；隨后關(guān)閉偏壓電源，開(kāi)啟裝有合金靶的濺射源，并通過(guò)調(diào)節(jié)電流來(lái)改變?yōu)R射功率控制濺射速率，通過(guò)改變?yōu)R射時(shí)間控制沉積涂層的厚度，最后制備出一定厚度的非晶納米晶涂層。

進(jìn)一步的，步驟3)中，負(fù)偏壓為300v；合金靶的濺射功率為80w，選用直流脈沖電源，電壓為340v；基體與靶材的距離為90mm。

步驟3)中，濺射時(shí)間為20-60min。

優(yōu)選的，步驟3)中，濺射時(shí)間為40min。

本發(fā)明提供了利用上述方法制備的zrcu非晶納米晶復(fù)合涂層，其中，非晶相為zrcu二元合金，納米晶為zr相。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)利用單靶磁控濺射制備出非晶納米晶復(fù)合涂層。涂層組織均勻、致密，涂層和基體結(jié)合良好，結(jié)合處沒(méi)有孔隙和裂紋。

(2)單靶濺射制備出非晶相和納米晶相均勻共存的非晶納米晶復(fù)合涂層，納米晶尺寸為5～10nm，經(jīng)分析為α-zr納米晶相。

(3)制備的非晶納米晶涂層兼具抗腐蝕與耐磨損性能。相比非晶具有更好的耐磨性，相比納米晶具有更好的抗蝕性。

(4)單靶濺射工藝簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)，可重復(fù)性強(qiáng)，成本低，效率高，且易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是zr75cu25非晶納米晶涂層xrd分析圖。

圖2是濺射時(shí)間為40分鐘80w(實(shí)施例3)的掃描電鏡圖，可以看出薄膜的厚度大致為1.09μm,且具有很好的平整度。

圖3是非晶納米晶涂層的界面tem圖和電子衍射花樣圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

制備非晶納米晶涂層具體包括以下步驟：

1)靶材選取

鋯-銅合金靶(zr:cu＝75:25(原子比))，將靶材放置于磁控濺射室；

2)襯底處理

將表面拋光的純鋯基體依次用丙酮、酒精和去離子水超聲處理20～30分鐘，自然晾干；將處理后的鋯片置于磁控濺射真空室內(nèi)的樣品臺(tái)上，準(zhǔn)備鍍膜；

3)制備zrcu非晶納米晶復(fù)合涂層

首先將真空室的氣壓抽至5×10^-4pa，然后通入80sccm的高純氬氣至真空室內(nèi)，調(diào)節(jié)真空度至0.35pa。開(kāi)啟偏壓電源，對(duì)步驟二處理過(guò)的鋯基體表面進(jìn)行偏壓清洗15分鐘，隨后關(guān)閉偏壓電源，開(kāi)啟裝有合金靶的濺射源，并通過(guò)調(diào)節(jié)電流來(lái)改變?yōu)R射功率控制濺射速率，通過(guò)改變?yōu)R射時(shí)間控制沉積涂層的厚度，最后制備出一定厚度的非晶納米晶涂層。

其中濺射溫度為室溫；基體與靶材的距離為90mm；負(fù)偏壓300v；合金靶選用直流脈沖電源，濺射功率80w，濺射電壓340w，濺射時(shí)間20分鐘。

制備涂層的厚度為760nm

實(shí)施例2

本實(shí)施中步驟3)的濺射時(shí)間是30分鐘，其他實(shí)施條件和實(shí)施例1相同，制備的zrcu非晶納米晶復(fù)合涂層厚度大約980nm。

實(shí)施例3

本實(shí)施中步驟3)的濺射時(shí)間是40分鐘，其他實(shí)施條件和實(shí)施例1相同，制得的zrcu非晶納米晶復(fù)合涂層厚度大約1090nm。實(shí)驗(yàn)證明在濺射40分鐘制備的涂層與基體的結(jié)合力更強(qiáng)，涂層的防腐耐磨性能更優(yōu)異。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單的修改、等同替換與改進(jìn)等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種在鋯合金表面制備非晶納米晶涂層的方法，該方法通過(guò)選取一定原子比例的靶材(Zr75Cu25)，采用單靶磁控濺射在基體上直接制備出非晶相和納米晶相均勻共存的非晶納米晶復(fù)合涂層。本發(fā)明制備的非晶納米晶復(fù)合涂層組織均勻、致密，涂層和基體結(jié)合良好，結(jié)合處沒(méi)有孔隙和裂紋。此外本發(fā)明制備的涂層具有優(yōu)異的耐蝕抗磨性能，該涂層可用作核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料和化工零件的保護(hù)涂層。

技術(shù)研發(fā)人員：楊亮;蔡保賢
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.01
技術(shù)公布日：2017.10.27