金屬材料表面的絕緣涂層及其制備方法
【專利摘要】本發明提供金屬材料表面的絕緣涂層及其制備方法，屬于材料領域。金屬材料表面的絕緣涂層，所述絕緣涂層的表層為稀土氮化物層，內層為稀土氧化物層；所述稀土氮化物層與金屬材料冶金結合。所述金屬材料表面的絕緣涂層的制備方法，采用雙輝等離子表面合金化方法在金屬材料表面制備絕緣涂層。本發明金屬材料表面的絕緣涂層，具有較高電阻率，該絕緣涂層與金屬材料的界面結合力強。本發明金屬材料表面的絕緣涂層的制備方法，生產效率高，投資少，降低生產成本，并能取得較好的經濟效益。
【專利說明】金屬材料表面的絕緣涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于材料領域，具體涉金屬材料表面的絕緣涂層及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 磁流體壓力下降是液態金屬聚變反應的關鍵問題。在結構材料表面制備一種電 絕緣的包覆涂層是解決該問題的有效方法。一些陶瓷氧化物涂層，如CaO, Y203, CaZr03, A1N 及Er203作為絕緣涂層的候選材料。由于Er203與液態鋰具有高的相容性及高的電阻率， 近年來，Er 203涂層作為一種最佳的磁流體絕緣涂層在核聚變堆包層涂層方面開始受到了人 們的重視。目前，Er 203涂層的主要制備方法有物理氣相沉積（PVD)，如射頻磁控濺射法、原 位生長和弧光輔助等離子沉積法等。然而，由于稀土元素原子半徑大，易氧化等問題，使得 不同的制備方法在得到Er 203涂層的同時，也存在各自的一些缺陷，PVD工藝復雜，效率低， 弧光輔助等離子沉積法涂層與基體結合性能一般，因此常規的PVD方法通常難以達到塊體 Er203的致密結構和優異性能。聚變堆包層絕緣涂層的實際應用要求涂層的電阻率大于1 X ΙΟ6 Ω · cm。人們利用金屬有機化學氣相沉積方法，在不銹鋼及鎳基襯底表面制得了不 同晶向的Er20 3涂層。人們利用真空度優于3. 0 X 10 - 4Pa的磁控濺射鍍膜獲得的Er203涂 層質的電阻率在1〇 12Ω μπι。盡管目前獲得Er203涂層的方法，均不同程度的提高了其的絕 緣特性，但是如何在保證絕緣涂層高電阻率的同時能提高Er 203涂層與基體的界面結合同 樣是目前核聚變堆包層應用中需要解決的關鍵問題之一。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供金屬材料表面的絕緣涂層，具有較高電阻率，該絕緣涂層與 金屬材料的界面結合力強。
[0004] 本發明還提供金屬材料表面的絕緣涂層的制備方法，生產效率高，投資少，降低生 產成本，并能取得較好的經濟效益。
[0005] 金屬材料表面的絕緣涂層，所述絕緣涂層的表層為稀土氮化物層，內層為稀土氧 化物層；所述稀土氮化物層與金屬材料冶金結合。
[0006] 所述稀土氧化物為氧化鉺；所述稀土氮化物為氮化鉺。
[0007] 所述稀土氧化物層厚度約為8-12微米，所述稀土氮化物層厚度為2-4微米。
[0008] 所述金屬材料表面的絕緣涂層的制備方法，采用雙輝等離子表面合金化方法在金 屬材料表面制備絕緣涂層。
[0009] 所述雙輝等離子表面合金化方法包括如下步驟： (1) 將金屬材料作為工件極，鉺靶作為源極，金屬材料與鉺靶的間距為15-20mm，工件 極、源極均為陰極，雙層輝等離子表面冶金爐的腔室作為陽極； (2) 在氬氣及氧氣氛下，設置工件極電壓為300-400 V，預轟擊金屬材料；調節工件極 電壓調至400-550 V，工件極電流控制在2. 0-2. 5A，調節源極電壓為750-900V、源極電流為 1. 2-1. 6A，使工件極達到700-800°C，保溫2-4小時； (3)關閉源極電源，停止通入氧氣，調整氬氣壓為10-25 Pa，將工件極電壓降到200-300 V，微輝保護降溫；停止通入氬氣，關閉工件極電源，將爐內抽到真空度為l_5Xl(T4Pa，冷卻 到室溫，出爐。
[0010] 所述金屬材料為片狀。
[0011] 所述金屬材料預處理后作為工件極；所述金屬材料的預處理方法為：將金屬材料 采用砂紙進行打磨，然后用金剛石研磨膏進行拋光處理，最后用丙酮超聲清洗。
[0012] 步驟（2)中爐內氣體壓強為35_40Pa，氬氣和氧氣的壓強比為15-20 :1。
[0013] 本發明方法的優點如下： (1)本發明以金屬材料作為基體，稀土元素鉺作為靶材，在低真空環境下實現 在金屬材料表面制備絕緣層涂層，見圖1所示。絕緣涂層在室溫情況下的電阻率為 (2. 0-6. 0) Χ1013Ω · cm，遠大于聚變堆包層絕緣涂層所要求的電阻率。
[0014] (2)稀土元素含量由稀土氧化物層至稀土氮化物層呈梯度分布。稀土氮化物層與 基體呈冶金結合，絕緣涂層達到10-16微米，所以絕緣涂層與金屬材料的界面結合力很強。 見圖2所示。
[0015] (3)雙輝等離子表面合金化是一種主要利用陰極濺射，結合空心陰極效應加熱工 件，使合金元素在表面與基體之間成梯度分布，滲層與基體之間無界面弱化，達到冶金結合 的新型表面改性技術。近年來，該技術主要集中在鈦合金表面進行滲鑰、滲氮、滲碳、滲鉻、 復合鑰-氮、鉻-碳共滲及碳氮共滲處理提高基體的耐磨耐蝕性能，至今尚未見用雙輝等離 子表面合金化技術制備氧化鉺涂層的相關報道。
[0016] (4)本發明采用雙輝等離子表面合金化技術，在低真空條件下在鈦合金表面制備 表層為稀土氧化物層、內層為稀土氮化物層的絕緣涂層，由于稀土氮化物層與金屬材料冶 金結合，所以稀土元素擴散進入基體，因此絕緣涂層與金屬材料結合性能良好，避免了常規 物理氣相沉積所帶來的界面結合問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為絕緣涂層的XRD圖譜。
[0018] 圖2為絕緣涂層的截面掃描圖譜。
[0019]
【具體實施方式】
[0020] 實施例1在鈦合金表面制備絕緣涂層 片狀鈦合金，型號為Ti6A14V，進行如下預處理：依次用200#、400#、600#、800#及1000# 砂紙進行粗磨及精磨，然后再用金剛石研磨膏進行拋光處理，最后用丙酮超聲清洗。
[0021] 鉺祀尺寸為100 mmX 100 mmX 5mm，純度99. 95%，進行如下預處理：用砂紙打磨干 凈露出新鮮表面，在丙酮中進行超聲清洗，吹干。
[0022] 采用雙輝等離子表面合金化方法在鈦合金表面制備氧化鉺涂層： (1)在雙層輝等離子表面冶金爐中，將預處理后的鈦合金作為工件極放在基盤上并用 保溫罩保護。將預處理后的鉺靶作為源極，固定在工件極上方，鈦合金與鉺靶的間距為工件 工作的極間距，是16_。工件極、源極為陰極，雙層輝等離子表面冶金爐的腔室作為陽極； (2)爐內氣體壓強控制在35-40 Pa，爐內氣體為氬氣及氧氣的混合氣體，氬氣和氧氣的 壓強比為15:1打開冷卻水，調節工件極電源電壓為300 V，對鈦合金進行10分鐘預轟擊，一 方面對試樣進行清洗，另一方面活化表面以便于活性原子的吸附。預轟擊之后，工件極電壓 調至400 V，工件極電流控制在2.4 A，將源極電壓調整到850V，源極電流控制在1.5A，使工 件極達到750°C，穩定各工藝參數并開始保溫2小時。
[0023] (3)關閉源極電源，停止通入氧氣，調整氬氣壓為10 Pa，將工件極電壓降到200V， 微輝保護降溫；停止通入氬氣，關閉工件極電源，將爐內抽到真空度為2. 0Xl(T4Pa，冷卻到 室溫，出爐。
[0024] 采用上述方法，在鈦合金（Ti6A14V)表面依次鍍上了氧化鉺（Er20 3)層和氮化鉺 (ErN)層（圖1)，從圖2可以看出氧化鉺（Er203)的滲層厚度約為10微米，氮化鉺（ErN)層 的厚度約為3微米。在室溫情況下的絕緣涂層的電阻率為4.5Χ10 13Ω ·_，遠大于聚變堆 包層絕緣涂層IX 1〇6 Ω · cm所要求的電阻率。
[0025] 實施例2在316L不銹鋼表面制備絕緣涂層 片狀不銹鋼，型號為316L，進行如下預處理：依次用200#、400#、600#、800#及1000#砂 紙進行粗磨及精磨，然后再用金剛石研磨膏進行拋光處理，最后用丙酮超聲清洗。
[0026] 鉺祀尺寸為100 mmX 100 mmX 5mm，純度99. 95%，進行如下預處理：用砂紙打磨干 凈露出新鮮表面，在丙酮中采用超聲清洗，吹干。
[0027] 采用雙輝等離子表面合金化方法在鈦合金表面制備氧化鉺涂層： (1) 在雙層輝等離子表面冶金爐中，將預處理后的鈦合金作為工件極放在基盤上并用 保溫罩保護。將預處理后的鉺靶作為源極，固定在工件極上方，鈦合金與鉺靶的間距為工件 工作的極間距，是20mm ;工件極、源極為陰極，雙層輝等離子表面冶金爐的腔室作為陽極； (2) 爐內氣體壓強控制在35-40 Pa，爐內氣體為氬氣及氧氣的混合氣體，氬氣和氧氣的 壓強比為20:1，打開冷卻水，調節工件極電源電壓為400 V，對鈦合金進行10分鐘預轟擊， 一方面對試樣進行清洗，另一方面活化表面以便于活性原子的吸附。預轟擊之后，工件極 電源電壓調至550 V，工件極電流控制在2.0 A，將源極電壓調整到750V，源極電流控制在 1. 4A，使工件極達到800°C，穩定各工藝參數并開始保溫4小時。
[0028] (3)關閉源極電源，停止通入氧氣，調整氬氣壓為25 Pa，將工件極電壓降到300V， 微輝保護降溫；停止通入氬氣，關閉工件極電源，將爐內抽到真空度為4. 0Xl(T4Pa，冷卻到 室溫，出爐。
[0029] 采用上述方法，在316L不銹鋼表面依次滲上了由氧化鉺（Er203)和氮化鉺（ErN) 組成的絕緣涂層，氧化鉺（Er 203)的厚度為8微米和氮化鉺（ErN)的厚度為2微米。在室溫 情況下的絕緣涂層的電阻率為5.3Χ10 13Ω ·_，遠大于聚變堆包層絕緣涂層1X106 Ω ·_ 所要求的電阻率。
【權利要求】
1. 金屬材料表面的絕緣涂層，其特征在所述絕緣涂層的表層為稀土氮化物層，內層為 稀土氧化物層；所述稀土氮化物層與金屬材料冶金結合。
2. 根據權利要求1所述金屬材料表面的絕緣涂層，其特征在于所述稀土氧化物為氧化 鉺；所述稀土氮化物為氮化鉺。
3. 根據權利要求1或2所述金屬材料表面的絕緣涂層，其特征在于所述稀土氧化物層 厚度約為8-12微米，所述稀土氮化物層厚度為2-4微米。
4. 權利要求1-3之一所述金屬材料表面的絕緣涂層的制備方法，其特征在于采用雙輝 等離子表面合金化方法在金屬材料表面制備絕緣涂層。
5. 根據權利要求4所述金屬材料表面的絕緣涂層的制備方法，其特征在于所述雙輝等 離子表面合金化方法包括如下步驟： (1) 將金屬材料作為工件極，鉺靶作為源極，金屬材料與鉺靶的間距為15_20mm，工件 極、源極均為陰極，雙層輝等離子表面冶金爐的腔室作為陽極； (2) 在氬氣及氧氣氛下，設置工件極電壓為300-400 V，預轟擊金屬材料；調節工件極 電壓調至400-550 V，工件極電流控制在2. 0-2. 5A，調節源極電壓為750-900V、源極電流為 1. 2-1. 6A，使工件極達到700-800°C，保溫2-4小時； (3) 關閉源極電源，停止通入氧氣，調整氬氣壓為10-25 Pa，將工件極電壓降到200-300 V，微輝保護降溫；停止通入氬氣，關閉工件極電源，將爐內抽到真空度為1-5 X l(T4Pa，冷卻 到室溫，出爐。
6. 根據權利要求5所述金屬材料表面的絕緣涂層的制備方法，其特征在于所述金屬材 料為片狀。
7. 根據權利要求6所述金屬材料表面的絕緣涂層的制備方法，其特征在于所述金屬材 料預處理后作為工件極；所述金屬材料的預處理方法為：將金屬材料采用砂紙進行打磨， 然后用金剛石研磨膏進行拋光處理，最后用丙酮超聲清洗。
8. 根據權利要求7所述金屬材料表面的絕緣涂層的制備方法，其特征在于步驟（2)中 爐內氣體壓強為35-40Pa，氬氣和氧氣的壓強比為15-20 :1。
【文檔編號】C23C14/06GK104087902SQ201410324063
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2014年7月9日
【發明者】吳紅艷, 李胤, 湯笑, 張躍文, 沈仙 申請人:南京信息工程大學