一種含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于表面合金化及涂層技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散 障及耐蝕層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 熔鹽反應(yīng)堆（Molten Salt Reactor-MSR)作為第四代核反應(yīng)堆，因其極高的中子 經(jīng)濟(jì)性、大功率密度、固有負(fù)載可控、負(fù)溫度系數(shù)大、高轉(zhuǎn)化比、高可靠性、燃料組合耗費(fèi)低、 可增殖性等優(yōu)點(diǎn)，獲得國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。但是，MSR中燃料和冷卻劑所用的熔融氟化物具有 極強(qiáng)的腐蝕性，大多數(shù)在高溫氧化環(huán)境中穩(wěn)定存在的保護(hù)性氧化膜如Al 203、Cr203和SiO 2等 都會(huì)發(fā)生活性溶解，從而導(dǎo)致熱端部件（主要是不銹鋼）材料的失效。Ni在熔鹽中的化學(xué) 穩(wěn)定性較高，適合用作MSR環(huán)境結(jié)構(gòu)材料的防護(hù)涂層。但是，當(dāng)Ni涂層配合基體合金長(zhǎng)期 服役時(shí)，Ni涂層無(wú)法阻擋基體中活性元素的外擴(kuò)散，從而喪失了對(duì)基體的有效防護(hù)。
[0003] 鑒于互擴(kuò)散是影響耐蝕Ni涂層服役壽命的關(guān)鍵因素，有必要在涂層和基體之間 引入擴(kuò)散阻擋層。"擴(kuò)散障/金屬耐蝕層"復(fù)合涂層體系的設(shè)計(jì)在高溫涂層領(lǐng)域已有研究應(yīng) 用，例如，氮化物擴(kuò)散障與金屬基耐蝕層組成的復(fù)合涂層在解決燃?xì)鉁u輪高溫部件的高溫 腐蝕、磨損和因元素互擴(kuò)散導(dǎo)致的涂層退化等問(wèn)題方面具有廣闊的應(yīng)用前景；A1 203、Cr203 等氧化物擴(kuò)散障可有效抑制MCrAlY涂層與高溫合金之間的元素互擴(kuò)散。美國(guó)威斯康辛大 學(xué)的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于合金元素在氧化物陶瓷中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于其在金屬 Ni中的數(shù)值，從而起到顯著的阻擴(kuò)散效應(yīng)。
[0004]目前氧化物陶瓷擴(kuò)散障的制備工藝主要包括磁控濺射、多弧離子鍍等物理氣相沉 積方法（PVD)和預(yù)氧化熱生長(zhǎng)方法。其中PVD要求設(shè)備真空、成本高昂，制備的擴(kuò)散阻擋層 與基體間為物理結(jié)合，常因熱膨脹系數(shù)不匹配存在結(jié)合力差、易脫落的問(wèn)題，嚴(yán)重威脅熔鹽 反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。與PVD相比，預(yù)氧化熱生長(zhǎng)方法所需設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉；氧化物涂層 與基體之間的化學(xué)結(jié)合能顯著提高氧化物與基體粘附性；可通過(guò)控制反應(yīng)條件對(duì)氧化物涂 層進(jìn)行成分厚度調(diào)控。然而，通過(guò)上述傳統(tǒng)涂層技術(shù)制備擴(kuò)散障會(huì)對(duì)耐蝕Ni層的制備帶來(lái) 一定的影響，如，氧化物擴(kuò)散障的非導(dǎo)電性將會(huì)對(duì)電鍍工藝制備Ni層產(chǎn)生不利影響，而采 用噴涂工藝制備Ni層又容易造成擴(kuò)散障受力破裂，進(jìn)一步影響其阻擴(kuò)散作用。另外，采用 涂層技術(shù)先后制備的氧化物和Ni層間為物理結(jié)合，在服役過(guò)程中極易因熱物理性能差異 發(fā)生開裂?？梢?，如何獲得連續(xù)致密、與基體合金和耐蝕Ni層結(jié)合性能良好的擴(kuò)散障是研 發(fā)熔鹽反應(yīng)堆涂層技術(shù)的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種含Cr不銹鋼表面氧化 物擴(kuò)散障及耐蝕層的制備方法，該制備方法可以制備出連續(xù)致密且與含Cr不銹鋼基體結(jié) 合性能良好的耐蝕Ni層。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層的制備 方法包括以下步驟：
[0007] 1)取Ni (0)固溶體粉末，然后篩取粒徑小于50μm的Ni (0)固溶體粉末作為冷噴 涂粉末；
[0008] 2)對(duì)待處理的含Cr不銹鋼基體進(jìn)行除油及清洗后進(jìn)行噴砂處理；
[0009] 3)采用冷噴涂技術(shù)將步驟1)得到的冷噴涂粉末噴涂到經(jīng)步驟2)處理的含Cr不 銹鋼基體表面，在Cr不銹鋼基體表面沉積Ni (0)固溶體層；
[0010] 4)在步驟3)得到的Ni (0)固溶體層的表面沉積耐蝕Ni層；
[0011] 5)將步驟4)得到的沉積有耐蝕Ni層的Cr不銹鋼基體放置到惰性氣體保護(hù)的容 器內(nèi)，在進(jìn)行熱處理，使Cr不銹鋼基體表面生長(zhǎng)出Cr 203擴(kuò)散障，然后再進(jìn)行保溫，得含Cr 不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層。
[0012] 步驟3)中Ni (0)固溶體層的厚度為10-100微米。
[0013] 步驟4)中耐蝕Ni層的厚度為90-400微米。
[0014] 步驟5)中的惰性氣體為氬氣；
[0015] 步驟5)中的容器為石英管或真空爐。
[0016] 步驟5)中熱處理的過(guò)程中的溫度為700-1000°C，保溫時(shí)間為4-20h。
[0017] 含Cr不銹鋼基本中Cr的含量大于等于18wt. %。
[0018] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0019] 本發(fā)明所述的含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層的制備方法在具體操作 時(shí)，先在含Cr不銹鋼基本表面沉積Ni (0)固溶體層，再在Ni (0)固溶體層的表面沉積耐蝕 Ni層，然后在Cr不銹鋼基體表面生長(zhǎng)出Cr203擴(kuò)散障，形成Cr 203擴(kuò)散障/耐蝕Ni層結(jié)構(gòu)， 從而得到連續(xù)致密且與含Cr不銹鋼基體結(jié)合性能良好的耐蝕Ni層，制備方法簡(jiǎn)單。
[0020] 進(jìn)一步，熱處理的過(guò)程中的溫度為700-1000°C，保溫時(shí)間為4_20h，低吉布斯自由 能的Cr 203可在含Cr不銹鋼基體/涂層界面優(yōu)先生長(zhǎng)。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1 (a)為原始Ni粉的表面形貌；
[0022] 圖1 (b)為經(jīng)球磨處理后Ni (0)粉末的表面形貌；
[0023] 圖2 (a)為冷噴涂Ni (0)層和Ni耐蝕外層后的復(fù)合涂層截面形貌；
[0024] 圖2 (b)為圖2 (a)中A處的放大圖；
[0025] 圖3為310ss基體/涂層界面處Cr203擴(kuò)散障的形貌；
[0026] 圖4(a)為Cr203擴(kuò)散障的形貌圖；
[0027] 圖4 (b) Cr203擴(kuò)散障的能譜Cr元素分布曲線；
[0028] 圖4 (c) Cr203擴(kuò)散障的能譜Fe元素分布曲線；
[0029] 圖4 (d) Cr203擴(kuò)散障的能譜Ni元素分布曲線；
[0030] 圖4 (e) Cr203擴(kuò)散障的能譜0元素分布曲線；
[0031] 圖5 (a)為316ss基體的形貌圖；
[0032] 圖5(b)為涂層界面處Cr203擴(kuò)散障的形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0034] 本發(fā)明所述的含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層的制備方法包括以下步 驟：
[0035] 1)取Ni (0)固溶體粉末，然后篩取粒徑小于50μm的Ni (0)固溶體粉末作為冷噴 涂粉末；
[0036] 2)對(duì)待處理的含Cr不銹鋼基體進(jìn)行除油及清洗后進(jìn)行噴砂處理；
[0037] 3)采用冷噴涂技術(shù)將步驟1)得到的冷噴涂粉末噴涂到經(jīng)步驟2)處理的含Cr不 銹鋼基體表面，在Cr不銹鋼基體表面沉積Ni (0)固溶體層；
[0038] 4)在步驟3)得到的Ni (0)固溶體層的表面沉積耐蝕Ni層；
[0039] 5)將步驟4)得到的沉積有耐蝕Ni層的Cr不銹鋼基體放置到惰性氣體保護(hù)的容 器內(nèi)，在進(jìn)行熱處理，使Cr不銹鋼基體表面生長(zhǎng)出Cr 203擴(kuò)散障，然后再進(jìn)行保溫，得含Cr 不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層。
[0040] 步驟3)中Ni (0)固溶體層的厚度為10-100微米。
[0041] 步驟4)中耐蝕Ni層的厚度為90-400微米。
[0042] 步驟5)中的惰性氣體為氬氣；
[0043] 步驟5)中的容器為石英管或真空爐。
[0044] 步驟5)中熱處理的過(guò)程中的溫度為700-1000°C，保溫時(shí)間為4_20h。
[0045] 含Cr不銹鋼基本中Cr的含量大于等于18wt. %。
[0046] 實(shí)施例1
[0047]以Cr含量約為25wt. %的310不銹鋼為基材（成分見表1)，對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理： 丙酮超聲除油，無(wú)水乙醇清洗后吹干；
[0048]表1
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層的制備方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 取Ni(O)固溶體粉末，然后篩取粒徑小于50iim的Ni(O)固溶體粉末作為冷噴涂粉 末； 2) 對(duì)待處理的含Cr不銹鋼基體進(jìn)行除油及清洗后進(jìn)行噴砂處理； 3) 采用冷噴涂技術(shù)將步驟1)得到的冷噴涂粉末噴涂到經(jīng)步驟2)處理的含Cr不銹鋼 基體表面，在Cr不銹鋼基體表面沉積Ni(0)固溶體層； 4) 在步驟3)得到的Ni(0)固溶體層的表面沉積耐蝕Ni層； 5) 將步驟4)得到的沉積有耐蝕Ni層的Cr不銹鋼基體放置到惰性氣體保護(hù)的容器內(nèi)， 在進(jìn)行熱處理，使Cr不銹鋼基體表面生長(zhǎng)出Cr2O3擴(kuò)散障，然后再進(jìn)行保溫，得含Cr不銹鋼 表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層的制備方法，其特征 在于，步驟3)中Ni(O)固溶體層的厚度為10-100微米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層的制備方法，其特征 在于，步驟4)中耐蝕Ni層的厚度為90-400微米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層的制備方法，其特征 在于， 步驟5)中的惰性氣體為氬氣； 步驟5)中的容器為石英管或真空爐。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層的制備方法，其特征 在于，步驟5)中熱處理的過(guò)程中的溫度為700-1000°C，保溫時(shí)間為4-20h。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層的制備方法，其特征 在于，含Cr不銹鋼基本中Cr的含量大于等于18wt. %。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層的制備方法，包括以下步驟：1)取Ni(0)固溶體粉末，然后篩取粒徑小于50μm的Ni(0)固溶體粉末作為冷噴涂粉末；2)對(duì)待處理的含Cr不銹鋼基體進(jìn)行除油及清洗后進(jìn)行噴砂處理；3)采用冷噴涂技術(shù)將步驟1)得到的冷噴涂粉末噴涂到經(jīng)步驟2)處理的含Cr不銹鋼基體表面，在Cr不銹鋼基體表面沉積Ni(0)固溶體層；4)在步驟3)得到的Ni(0)固溶體層的表面沉積耐蝕Ni層；5)將Cr不銹鋼基體放置到惰性氣體保護(hù)的容器內(nèi)，在進(jìn)行熱處理，使Cr不銹鋼基體表面生長(zhǎng)出Cr2O3擴(kuò)散障，然后再進(jìn)行保溫，得含Cr不銹鋼表面氧化物擴(kuò)散障及耐蝕層。本發(fā)明可以制備出連續(xù)致密且與含Cr不銹鋼基體結(jié)合性能良好的耐蝕Ni層。
【IPC分類】C23C24-02
【公開號(hào)】CN104694917
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510122199
【發(fā)明人】徐雅欣, 李長(zhǎng)久, 雒曉濤, 李成新, 楊冠軍
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年3月19日