一種聚變堆氚增殖包層用Fe?Al/Al₂O₃阻氚涂層及其制備方法

一種聚變堆氚增殖包層用Fe?Al/Al₂O₃ 阻氚涂層及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種聚變堆氚增殖包層用Fe?Al/Al2O3阻氚涂層及其制備方法，本發明的涂層由Fe?Al擴散層及其表面原位氧化生成的Al2O3薄膜組成。本發明的Fe?Al擴散層中鋼基體一側的納米晶界可成為Al原子向鋼基體內部擴散的通道；擴散退火時，Al原子沿納米晶界向鋼基體內部迅速擴散，這將大大降低涂層和界面處Al元素的含量，抑制高鋁化合物（Fe2Al5，FeAl3，FeAl2等）的形成；涂層中，低鋁化合物（FeAl）的形成降低了Fe、Al元素的成分梯度，抑制了柯肯達爾空洞的產生。
【專利說明】
一種聚變堆氚増殖包層用Fe-A I /A1203阻氚涂層及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于阻氚涂層制備技術領域，本發明涉及一種聚變堆氚增殖包層用Fe-Al/Al2O3阻氚涂層及其制備方法。
【背景技術】
[0002]氚作為一種稀缺的戰略資源在國防、核能、醫學、石油工業等領域有廣泛的應用。由于氚具有放射性和高滲透性，防止氚的滲透與泄露是不可忽視的現實問題。特別是聚變堆氚增殖包層內增殖產生的氚，極易通過包層結構材料向外滲透。為了有效地阻氚，同時不犧牲結構材料的整體性能，現實的方法是在結構材料表面涂覆相應的阻氚涂層。
[0003]目前，研究涉及到的阻氣涂層包括:氧化物涂層(JournaI of Nuclearmaterials, 1997, 246:139-143)、娃化物涂層(Journal of Nuclear materials, 1995,220:823-826)、鈦基陶瓷(Surface and Coatings Technology, 1998，100:500-502)等多種陶瓷涂層。其中Al2O3涂層因其氚滲透率降低因子高、制備方法簡單、耐腐蝕等特點，被認為是氚增值包層阻氚涂層的重要候選材料。然而，值得注意的是，聚變堆用包層阻氚涂層服役環境惡劣，涂層需要長期忍受300°C?550°C的交變溫度場。在交變熱應力的長期作用下，涂層極易產生裂紋，甚至剝落。這大大降低了 Al2O3涂層的阻氚性能。
[0004]為了提高Al2O3涂層在交變溫度場下的抗剝落性能，目前常用的聚變堆氚增殖包層阻氚涂層是Fe-AVAl2O3涂層，其制備方法是:先在鋼基體上鍍一層純Al涂層，再通過一系列中、高溫熱處理，在Al涂層表面原位氧化生成一層極薄的Al2O3薄膜；同時，通過熱處理加速Fe/Al界面之間的元素互擴散，形成Fe/Al互擴散層，這大大提高了 Fe-AVAl2O3膜基界面的結合力，進而提高了涂層的抗剝落性能(中國核科學技術進展報告，2011，2:207?228)。雖然用鍍鋁+熱處理的方法制備的Fe-AVAl2O3涂層的抗剝落性能得到了較大提高，但在模擬實際工況條件下，Fe-AVAl2O3涂層的氚滲透率降低因子(10?13)與Al2O3理論值(13?15)之間依然有不少差距。其主要原因是:在鍍鋁和熱處理過程中，Fe、Al元素互擴散會在涂層內或涂層-基體界面處形成大量科肯達爾空洞和脆性的高鋁化合物(如Fe2Al5, FeAl3,FeAl2等)；空洞和高鋁化合物在交變溫度場下易產生應力集中，導致裂紋的萌生，從而降低涂層的阻氣性能(Journal of Nuclear Materials ,2011,412: 274-277) ο
[0005]因此，如何控制阻氚涂層中的空洞和高鋁化合物含量，成為工程技術人員關注的熱點。目前，常用的阻氚涂層制備技術的改進方案包括:鍍鋁液中添加微量元素抑制高鋁化合物的生長(Surface & Coatings Technology，2014，246:17-25);提高熱處理溫度，延長熱處理時間消除高鋁化合物(第一屆氚科學與技術交流會論文集，2015，成都:193-194.;Material Corros1n，2005,56:874.)；減小鍍招層的厚度能縮短Al、Fe原子的互擴散距離，從而降低空洞數量(Fus1n Engineering and Design，2015，101:128-133)。然而，以上各解決方案仍存在不少問題:添加微量元素只能減小高鋁化合物的尺寸，無法將其完全消除；而提高熱處理溫度和延長保溫時間，不但增加了能耗還會惡化鋼基體的力學性能;減小鍍鋁層厚度將不可避免的犧牲涂層的耐腐蝕和耐輻照性能等。

【發明內容】

[0006]為了改善上述問題，本發明提供了一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層及其制備方法。
[0007]實現本發明的技術方案如下:
一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層，所述涂層由Fe-Al擴散層及其表面原位氧化生成的Al2O3薄膜組成;Fe-Al擴散層中，鋼基體一側粗糙度為1.0?2.Ομπι，鋼基體表面形成納米晶體結構，晶粒尺寸為30?50nm。
[0008]具體地，所述Al2O3薄膜由Ct-Al2O3和Θ-Α1203組成。
[0009]具體地，所述Fe-Al擴散層的厚度為2?14μπι;所述Al2O3薄膜的厚度彡Ιμπι。
[0010]具體地，所述Fe-Al擴散層由低鋁化合物FeAl組成。
[0011]一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層的制備方法，采用超音速微粒噴丸的方法對基體進行噴丸處理，再采用磁控濺射法在基體上鍍制純Al涂層，然后進行擴散退火和原位氧化熱處理。
[0012]進一步地，本發明包括以下步驟:
(1)將清洗后的基體材料固定于超音速微粒噴丸設備的噴嘴前對其進行噴涂;其中，超音速微粒噴丸設備的載氣壓力為1.0?3.0MPa，噴嘴行走速度為I?4mm/s (換算為單位時間內的噴丸面積為1.5?6.0cm2/s),噴丸介質為球形氧化招粉，噴丸直徑為40?80μηι;
(2)將步驟(I)得到的經表面噴丸處理的基體材料放置于磁控濺射真空室中進行射頻磁控濺射鍍膜;其中，真空室真空壓力彡1.0X 10—3Pa，濺射功率為70?140W，濺射沉積時間為45?180min，濺射時通入Ar，Ar氣壓為0.25?0.5Pa;濺射源為純度不低于99.95wt%的Al靶；
(3)將步驟(2)得到的基體材料置于真空退火爐中進行擴散退火，退火溫度400?6500C，退火爐真空壓力彡1.0 X 10—3Pa，退火時間2?5小時;退火完成后，調節真空壓力彡I.0 XKT1Pa，溫度升至650?900°C，對基體材料進行原位氧化，保溫I?3小時，隨爐冷卻、出爐。
[0013]作為一種優選，所述超音速微粒噴丸的載氣壓力為1.5?2.5MPa;濺射沉積時間為60?120min;擴散退火溫度為500?550 °C;原位氧化溫度為700?750 °C。
[0014]具體地，所述基體材料為鋼材料。
[0015]具體地，所述基體材料表面粗糙度為1.0?2.Ομπι，基體表面形成納米晶體結構，晶粒尺寸為30?50nm。
[0016]具體地，噴丸入射角度為90°。
[0017]本發明具有以下優點及有益效果:
(I)本發明之所以選擇超音速微粒噴丸技術對涂層基體進行噴丸處理，是因為通過控制超音速微粒噴丸的工藝參數可以在鋼基體表面制備一定厚度納米晶層。納米晶層內的大量晶界可成為Al原子向鋼基體內部擴散的通道;擴散退火時，Al原子沿納米晶界向鋼基體內部迅速擴散，這將大大降低了涂層和界面處Al元素的含量，抑制高鋁化合物(Fe2Al5,FeAh，FeAh等)的形成;涂層中，低招化合物(FeAl)的形成降低了Fe、A1元素的成分梯度，抑制了柯肯達爾空洞的產生。另外，超音速微粒噴丸處理后，鋼基體表面有一定的粗糙度，這可以增加涂層與基體的接觸面積，提高涂層與基體的結合強度。以上特點使涂層在交變溫度場中的抗剝落性能得到了大幅提升。
[0018](2)本發明的基體表面經過納米化處理后，Fe、Al元素擴散的速度加快，所需要的擴散激活能降低，這也大大地降低了后續的擴散退火溫度，縮短了退火時間。這不但消除了高溫熱處理對鋼基體力學性能的負面影響，還提高了生產效率，減少了能耗。
[0019](3)本發明采用噴丸+磁控濺射+熱處理的方法制備阻氚涂層，工藝簡單、成熟，設備操作便捷，工藝參數精確可控，適合大批量生產。
[0020](4)相對目前主流的阻氚涂層的制備方法，本發明的方法不涉及有機溶劑和高溫鋁水，制備過程綠色環保，且更為安全。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明所設計的Fe-AVAl2O3阻氚涂層的制備工序示意圖。
[0022]圖2為本發明-實施例1經過超音速微粒噴丸后的表面形貌和截面微觀組織照片。
[0023]圖3為本發明-實施例1制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層的表面、截面形貌。
[0024]圖4為本發明-實施例1制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層的X射線衍射圖譜。
[0025]圖5為本發明-實施例1制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層和未經過超音速微粒噴丸預處理制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層經過550 °C熱震20次后的表面形貌。
[0026]圖6為本發明-實施例1制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層和未經過超音速微粒噴丸預處理制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層經過550 °C?300 °C熱循環100小時后，涂層的截面形貌。
【具體實施方式】
[0027]下面結合實施例對本發明做進一步的說明，但本發明的實施方式并不限于此。
[0028]值得說明的是:1、以下實施例所采用的超音速微粒噴丸設備是中國科學院金屬研究所自制的氣固雙相流金屬材料表面納米化裝置(參見專利“熊天英；李鐵藩;吳杰;金花子;超聲速微粒轟擊金屬材料表面納米化方法，CN1410560，2003”)。2、噴丸處理后，采用掃描電子顯微鏡(SEM, S-3400N, Oxford Instrument)和透射電子顯微鏡(TEM, JEOL-2000FXII)表征鋼基體表面和截面形貌，采用表面形貌儀(MIR0XAM-3D，KLA-ADE)表征鋼基體表面粗糙度。3、熱處理結束后，采用掃描電子顯微鏡(SEM，S-3400N, OxfordInstrument)和X射線衍射儀(XRD，RigakuD/Max-3A)表征涂層表面、截面形貌、相組成及厚度。4、550°C熱震實驗步驟如下:將涂層試樣放入馬弗爐中，在大氣和室溫環境下中升溫至550，升溫速率10°C/min，550°C保溫30min后，將涂層試樣從馬弗爐取出，迅速浸入常溫的去離子水中，冷卻，取出晾干，用掃描電子顯微鏡觀察涂層表面剝落情況，如此反復，直至涂層大面積剝落發生，以所耐受的最大熱震次數評價涂層抗剝落性能。5、550°C?300°C熱循環實驗步驟如下:將涂層試樣放入真空退火爐中，本底真空度小于10—3Pa，設定熱循環程序，升溫速率10°C/min，升溫至550°C，保溫15min后，降溫至300°C，降溫速率10°C/min，保溫15min，再升溫至55(TC，如此循環反復100小時，隨爐冷卻，將試樣取出，以掃描電子顯微鏡觀察涂層截面形貌，以涂層內部裂紋和空洞數量評價涂層在交變溫度場下的服役性能穩定性。
[0029]實施例1
一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層，其制備方法如下: (1)將清洗后的10Cre鋼片固定于超音速微粒噴丸設備的噴嘴前，待噴涂面與噴嘴距離30mm，超音速微粒轟擊設備的載氣壓力為2.5MPa，噴嘴行走速度lmm/s(換算為單位時間內的噴丸面積為1.5cm2/S)，噴丸入射角度90°，噴丸介質為球形氧化鋁粉(剛玉粉)，直徑60ym;
(2)將步驟(I)得到的經表面噴丸處理的鋼基體材料放置于磁控濺射真空室中，真空室本底真空氣壓為8.0 X 10—4Pa，在濺射功率為100W的條件下進行射頻磁控濺射鍍膜，以純度不低于99.95wtG/c^Al靶作為濺射源，濺射時通入AH本，Ar氣壓為0.3Pa，濺射沉積時間為60min；
(3)將步驟(2)得到的涂層材料置于真空退火爐中進行擴散退火，退火溫度500°C，退火爐本底真空氣壓為8.0 X 10—4Pa，退火時間3小時;擴散退火完成后，調高本底真空至1.0 XKT1Pa，溫度升至7500C，對涂層進行原位氧化，保溫3小時，隨爐冷卻、出爐。
[0030]值得說明的是，圖1中(a)為超音速微粒噴丸工序，(b)為表面鍍鋁工序，(C)為熱處理工序；由示意圖可知，與傳統Fe-AVAl2O3阻氚涂層制備方法相比，本發明在制備的Fe-Al/Al2O3阻氚涂層過程中預先對鋼基體進行了超音速微粒噴丸處理。該預處理的目的是在鋼基體表面獲得一定厚度的納米晶層和粗糙度，以提高涂層的抗剝落性能。
[0031]圖2中(a)為表面形貌，圖2(b)為截面微觀組織;從該圖可知，超音速微粒噴丸后鋼基體表面粗糙度略有增加，達到1.9μηι，鋼基體表層晶粒尺寸達到納米級(直徑30nm左右)，納米層厚度約為5μηι。
[0032]圖3中(a)為Fe-AVAl2O3阻氚涂層的表面，(b)為截面形貌；從該圖可知，Fe-Al/Al2O3阻氚涂層最表層為針狀Θ-Α1203和柱狀Ct-Al2O3組成的氧化鋁薄膜，薄膜厚度小于Ιμπι，薄膜表面無裂紋和可見缺陷;涂層內部為Fe-Al擴散層，擴散層厚度達到4μπι，內部無裂紋與可見空洞。
[0033]由圖4可知，涂層內部的主要相為低鋁化合物FeAl，由于Al2O3薄膜極薄，X射線圖譜中沒有明顯的Al2O3譜線。
[0034]圖5中(a)為本發明制得的Fe-AVAl2O3阻氚涂層，(b)為未經過超音速微粒噴丸預處理制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層。從圖中可知，550°C熱震20次后，本發明所制備的阻氚涂層無明顯剝落產生，說明與傳統的未經超音速微粒噴丸處理的阻氚涂層相比，本發明的阻氚涂層擁有更好的抗剝落性能。
[0035]圖6中(a)為本發明制得的Fe-AVAl2O3阻氚涂層，(b)為未經過超音速微粒噴丸預處理制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層。從圖中可知，在交變溫度場下，本發明的阻氚涂層內部結構更穩定，不容易形成裂紋和空洞，說明與傳統的未經超音速微粒噴丸處理的阻氚涂層相比，本發明所制備的阻氚涂層在交變溫度場下擁有更穩定的服役性能。
[0036]實施例2
一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層，其制備方法如下:
(1)將清洗后的304不銹鋼鋼片固定于超音速微粒噴丸設備的噴嘴前，待噴涂面與噴嘴距離40mm，超音速微粒轟擊設備的載氣壓力為1.5MPa，噴嘴行走速度3mm/s(換算為單位時間內的噴丸面積為4.5cm2/s)，噴丸入射角度90 °，噴丸介質為球形氧化鋁粉(剛玉粉)，直徑40μπι；
(2)將步驟(I)得到的經表面噴丸處理的鋼基體材料放置于磁控濺射真空室中，真空室本底真空氣壓8.0 X 10—4Pa，在濺射功率10W下進行射頻磁控濺射鍍膜，以純度不低于99.95wt°/c^Al靶作為濺射源，濺射時通入Ar體，Ar氣壓為0.35Pa，濺射沉積時間為120min ；
(3)將步驟(2)得到的涂層材料置于真空退火爐中進行擴散退火，退火溫度550°C，退火爐本底真空度8.0 X 10—4Pa，退火時間3小時；擴散退火完成后，調高本底真空至2.0X10—1Pa，溫度升至700°C，對涂層進行原位氧化，保溫3小時，隨爐冷卻、出爐。
[0037]該工藝下制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層基體粗糙度為1.Ομπι，基體表面晶粒尺寸約50nm，納米層厚度約3μπι;該涂層最表層為針狀Θ-Α1203和柱狀Ct-Al2O3組成的氧化鋁薄膜，薄膜厚度小于Iym，薄膜表面無裂紋和可見缺陷;涂層內部為Fe-Al擴散層，擴散層厚度達到8μm;涂層內部主要相為低鋁化合物FeAl ;550°C熱震實驗顯示，實施例所制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層在熱震20次后無明顯剝落產生；550°C?300°C熱循環實驗顯示，熱循環100小時后，本發明所制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層內部保持完整致密。
[0038]實施例3
一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層，其制備方法如下:
(1)將清洗后的304不銹鋼鋼片固定于超音速微粒噴丸設備的噴嘴前，待噴涂面與噴嘴距離40mm，超音速微粒轟擊設備的載氣壓力為1.5MPa，噴嘴行走速度3mm/s(換算為單位時間內的噴丸面積為4.5cm2/s)，噴丸入射角度90 °，噴丸介質為球形氧化鋁粉(剛玉粉)，直徑40μπι；
(2)將步驟(I)得到的經表面噴丸處理的鋼基體材料放置于磁控濺射真空室中，真空室本底真空氣壓8.0 X 10—4Pa，在濺射功率100W下進行射頻磁控濺射鍍膜，以純度不低于99.95wt°/c^Al靶作為濺射源，濺射時通入Ar體，Ar氣壓為0.35Pa，濺射沉積時間為120min ；
(3)將步驟(2)得到的涂層材料置于真空退火爐中進行擴散退火，退火溫度550°C，退火爐本底真空度8.0 X 10—4Pa，退火時間3小時；擴散退火完成后，調高本底真空至2.0X10—1Pa，溫度升至700°C，對涂層進行原位氧化，保溫3小時，隨爐冷卻、出爐。
[0039]該工藝下制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層基體粗糙度為1.Ομπι，基體表面晶粒尺寸約50nm，納米層厚度約3μπι;該涂層最表層為針狀Θ-Α1203和柱狀Ct-Al2O3組成的氧化鋁薄膜，薄膜厚度小于Iym，薄膜表面無裂紋和可見缺陷;涂層內部為Fe-Al擴散層，擴散層厚度達到8μm;涂層內部主要相為低鋁化合物FeAl ;550°C熱震實驗顯示，實施例所制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層在熱震20次后無明顯剝落產生；550°C?300°C熱循環實驗顯示，熱循環100小時后，本發明所制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層內部保持完整致密。
[0040]實施例4
一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層，其制備方法如下:
(1)將清洗后的316L不銹鋼鋼片固定于超音速微粒噴丸設備的噴嘴前，待噴涂面與噴嘴距離30mm，超音速微粒轟擊設備的載氣壓力為1.0MPa，噴嘴行走速度lmm/s(換算為單位時間內的噴丸面積為1.5cm2/S)，噴丸入射角度90 °，噴丸介質為球形氧化鋁粉(剛玉粉)，直徑6Oum;
(2)將步驟(I)得到的經表面噴丸處理的鋼基體材料放置于磁控濺射真空室中，真空室本底真空氣壓8.0 X 10—4Pa，在濺射功率100W下進行射頻磁控濺射鍍膜，以純度不低于99.95wt°/c^Al靶作為濺射源，濺射時通入Ar體，Ar氣壓為0.35Pa，濺射沉積時間為60min ；
(3)將步驟(2)得到的涂層材料置于真空退火爐中進行擴散退火，退火溫度500°C，退火爐本底真空度8.0 X 10—4Pa，退火時間3小時；擴散退火完成后，調高本底真空至1.0X10—1Pa，溫度升至750°C，對涂層進行原位氧化，保溫3小時，隨爐冷卻、出爐。
[0041]該工藝下制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層基體粗糙度為1.Ομπι，基體表面晶粒尺寸約50nm，基體表面納米層約2μπι;該涂層最表層為針狀Θ-Α1203和柱狀Ct-Al2O3組成的氧化鋁薄膜，薄膜厚度小于Iym，薄膜表面無裂紋和可見缺陷；涂層內部為Fe-Al擴散層，擴散層厚度達到3μπι;涂層內部主要相為低鋁化合物FeAl; 550 °C熱震實驗顯示，實施例所制備的Fe-Al/AI2O3阻氣涂層在熱震16次后出現剝落現象;550 °C?300 °C熱循環實驗顯示，熱循環100小時后，實施例所制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層內部無明顯裂紋與空洞。本實施例說明，本發明所制備的阻氚涂層的抗剝落性能對噴丸的載氣壓力比較敏感，當載氣壓力低于1.5MPa時，鋼基體的粗糙度和納米層厚度明顯降低，使得Fe-Al擴散層厚度降低，最終導致涂層的抗剝落性能較優選方案有所下降。
[0042]實施例5
一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層，其制備方法如下:
(1)將清洗后的316L不銹鋼鋼片固定于超音速微粒噴丸設備的噴嘴前，待噴涂面與噴嘴距離30mm，超音速微粒轟擊設備的載氣壓力為3.0MPa，噴嘴行走速度lmm/ s (換算為單位時間內的噴丸面積為1.5cm2/S)，噴丸入射角度90 °，噴丸介質為球形氧化鋁粉(剛玉粉)，直徑6Oum;
(2)將步驟(I)得到的經表面噴丸處理的鋼基體材料放置于磁控濺射真空室中，真空室本底真空氣壓8.0 X 10—4Pa，在濺射功率100W下進行射頻磁控濺射鍍膜，以純度不低于99.95wt°/c^Al靶作為濺射源，濺射時通入Ar體，Ar氣壓為0.35Pa，濺射沉積時間為120min ；
(3)將步驟(2)得到的涂層材料置于真空退火爐中進行擴散退火，退火溫度500°C，退火爐本底真空度8.0 X 10—4Pa,退火時間3小時；擴散退火完成后，調高本底真空至1.0X10—1Pa，溫度升至750°C，對涂層進行原位氧化，保溫3小時，隨爐冷卻、出爐。
[0043]該工藝下制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層基體粗糙度為2.3μπι，基體表面晶粒尺寸約30nm，基體表面納米層約5μπι，但在基體最表層發現有微裂紋萌生;該涂層最表層為針狀Θ-Al2O3和柱狀Ct-Al2O3組成的氧化鋁薄膜，薄膜厚度小于Ιμπι，薄膜表面無裂紋和可見缺陷；涂層內部為Fe-Al擴散層，擴散層厚度達到ΙΟμπι;涂層內部主要相為低鋁化合物FeAl; 550 V熱震實驗顯示，實施例所制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層在熱震15次后出現剝落現象；550°C?300°C熱循環實驗顯示，熱循環100小時后，本實施例所制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層在涂層與基體界面處出現微裂紋，這可能是有由于噴丸氣壓偏大造成的。本實施例說明，本發明所制備的阻氚涂層的抗剝落性能對噴丸的載氣壓力比較敏感，當載氣壓力高于2.5MPa時，鋼基體表面可能產生微裂紋，使得Fe-AVAl2O3阻氚涂層與基體的結合力較優選方案有所下降。
[0044]實施例6
一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層，其制備方法如下:
(I)將清洗后的316L不銹鋼鋼片固定于超音速微粒噴丸設備的噴嘴前，待噴涂面與噴嘴距離30mm，超音速微粒轟擊設備的載氣壓力為2.5MPa，噴嘴行走速度lmm/s(換算為單位時間內的噴丸面積為1.5cm2/S)，噴丸入射角度90 °，噴丸介質為球形氧化鋁粉(剛玉粉)，直徑6Oum; (2)將步驟(I)得到的經表面噴丸處理的鋼基體材料放置于磁控濺射真空室中，真空室本底真空氣壓8.0 X 10—4Pa，在濺射功率10W下進行射頻磁控濺射鍍膜，以純度不低于99.95wt°/c^Al靶作為濺射源，濺射時通入Ar體，Ar氣壓為0.35Pa，濺射沉積時間為45min ；
(3)將步驟(2)得到的涂層材料置于真空退火爐中進行擴散退火，退火溫度500°C，退火爐本底真空度8.0 X 10—4Pa,退火時間3小時；擴散退火完成后，調高本底真空至1.0X10—1Pa，溫度升至750°C，對涂層進行原位氧化，保溫3小時，隨爐冷卻、出爐。
[0045]該工藝下制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層基體粗糙度為2.Ομπι，基體表面晶粒尺寸約30nm，基體表面納米層約5μπι;該涂層最表層為針狀Θ-Α1203和柱狀Ct-Al2O3組成的氧化鋁薄膜，薄膜厚度小于Iym，薄膜表面無裂紋和可見缺陷；涂層內部為Fe-Al擴散層，擴散層厚度達到2μπι;涂層內部主要相為低鋁化合物FeAl; 550 °C熱震實驗顯示，實施例所制備的Fe-Al/Al2O3阻氚涂層在熱震20次后無明顯剝落產生;550 °C?300°C熱循環實驗顯示，熱循環100小時后，本發明所制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層內部保持完整致密。但該實施例的鍍鋁時間較短，使得Fe-Al擴散層厚度偏小，這可能影響涂層在聚變堆包層中的耐輻照和耐腐蝕性能。
[0046]實施例7
一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層，其制備方法如下:
(1)將清洗后的304不銹鋼鋼片固定于超音速微粒噴丸設備的噴嘴前，待噴涂面與噴嘴距離40mm，超音速微粒轟擊設備的載氣壓力為2.0MPa，噴嘴行走速度3mm/s(換算為單位時間內的噴丸面積為4.5cm2/s)，噴丸入射角度90 °，噴丸介質為球形氧化鋁粉(剛玉粉)，直徑40μπι；
(2)將步驟(I)得到的經表面噴丸處理的鋼基體材料放置于磁控濺射真空室中，真空室本底真空氣壓8.0 X 10—4Pa，在濺射功率100W下進行射頻磁控濺射鍍膜，以純度不低于99.95wt°/c^Al靶作為濺射源，濺射時通入Ar體，Ar氣壓為0.35Pa，濺射沉積時間為60min ；
(3)將步驟(2)得到的涂層材料置于真空退火爐中進行擴散退火，退火溫度450°C，退火爐本底真空度8.0 X 10—4Pa，退火時間3小時；擴散退火完成后，調高本底真空至2.0X10—1Pa，溫度升至700 V，對涂層進行原位氧化，保溫I小時，隨爐冷卻、出爐。
[0047]該工藝下制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層基體粗糙度為1.4μπι，基體表面晶粒尺寸約30nm，納米層厚度約4μπι;該涂層最表層為針狀Θ-Α1203和柱狀Ct-Al2O3組成的氧化鋁薄膜，薄膜厚度小于Ιμπι;涂層內部為Fe-Al擴散層，擴散層厚度為3μπι;涂層內部主要相為低鋁化合物FeAl ;550°C熱震實驗顯示，實施例所制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層在熱震14次后出現剝落現象；550°C?300°C熱循環實驗顯示，熱循環100小時后，本實施例制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層內部出現微裂紋。這說明，當擴散退火溫度低于500°C，擴散層的厚度以及涂層-基體的結合強度均較最優方案有所下降。
[0048]實施例8
一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層，其制備方法如下:
(1)將清洗后的304不銹鋼鋼片固定于超音速微粒噴丸設備的噴嘴前，待噴涂面與噴嘴距離30mm，超音速微粒轟擊設備的載氣壓力為2.0MPa，噴嘴行走速度lmm/s(換算為單位時間內的噴丸面積為4.5cm2/s)，噴丸入射角度90 °，噴丸介質為球形氧化鋁粉(剛玉粉)，直徑40μπι；
(2)將步驟(I)得到的經表面噴丸處理的鋼基體材料放置于磁控濺射真空室中，真空室本底真空氣壓8.0 X 10—4Pa，在濺射功率10W下進行射頻磁控濺射鍍膜，以純度不低于99.95wt°/c^Al靶作為濺射源，濺射時通入Ar體，Ar氣壓為0.30Pa，濺射沉積時間為60min ；
(3)將步驟(2)得到的涂層材料置于真空退火爐中進行擴散退火，退火溫度550°C，退火爐本底真空度8.0 X 10—4Pa，退火時間3小時；擴散退火完成后，調高本底真空至2.0X10—1Pa，溫度升至650°C，對涂層進行原位氧化，保溫3小時，隨爐冷卻、出爐。
[0049]該工藝下制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層基體粗糙度為1.4μπι，基體表面晶粒尺寸約30nm，納米層厚度約4μπι;該涂層表面為針狀Θ-Α1203和柱狀Ct-Al2O3組成的氧化鋁薄膜，薄膜厚度小于Iym;涂層內部為Fe-Al擴散層，擴散層厚度為5μπι;涂層內部主要相為低鋁化合物FeAldSOr熱震實驗顯示，實施例所制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層在熱震12次后出現剝落現象;550 °C?300 °C熱循環實驗顯示，熱循環80小時后，本實施例制備的Fe-AVAl2O3阻氚涂層內部即出現微裂紋。這說明，當氧化退火溫度低于700°C，涂層-基體的結合強度和涂層的高溫穩定性較最優方案均有下降。
[0050]應當說明的是，以上實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍中。
【主權項】
1.一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層，所述涂層由Fe-Al擴散層及其表面原位氧化生成的AI2O3薄膜組成;其特征在于:Fe-Al擴散層中，鋼基體一側粗糙度為1.0?2.Ομπι，鋼基體表面形成納米晶體結構，晶粒尺寸為30?50nm。 2.根據權利要求1所述的一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層，其特征在于:所述Al2O3薄膜由Q-Al2O3和Θ-Α1203組成。3.根據權利要求1或2所述的一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層，其特征在于:所述Fe-Al擴散層的厚度為2?14μηι;所述ΑΙ2Ο3薄膜的厚度彡Ιμπι。4.一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層的制備方法，其特征在于:采用超音速微粒噴丸的方法對基體進行噴丸處理，再采用磁控濺射法在基體上鍍制純Al涂層，然后進行擴散退火和原位氧化熱處理。5.根據權利要求4所述的一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)將清洗后的基體材料固定于超音速微粒噴丸設備的噴嘴前對其進行噴涂;其中，超音速微粒噴丸設備的載氣壓力為1.0?3.0MPa，噴嘴行走速度為I?4mm/s，噴丸介質為球形氧化鋁粉，噴丸直徑為40?80μπι ； (2)將步驟(I)得到的經表面噴丸處理的基體材料放置于磁控濺射真空室中進行射頻磁控濺射鍍膜;其中，真空室真空壓力彡1.0X 10—3Pa，濺射功率為70?140W，濺射沉積時間為45?180min，濺射時通入Ar，Ar氣壓為0.25?0.5Pa ； (3)將步驟(2)得到的基體材料置于真空退火爐中進行擴散退火，退火溫度400?6500C，退火爐真空壓力彡1.0 X 10—3Pa，退火時間2?5小時;退火完成后，調節真空壓力彡I.0 XKT1Pa，溫度升至650?900 V，對涂層進行原位氧化，保溫I?3小時，隨爐冷卻、出爐。6.根據權利要求5所述的一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層的制備方法，其特征在于:所述超音速微粒噴丸的載氣壓力為1.5?2.5MPa ；派射沉積時間為60?120min;擴散退火溫度為500?550 °C;原位氧化溫度為700?750 °C。7.根據權利要求4?6任一項所述的一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層的制備方法，其特征在于:所述基體材料表面粗糙度為1.0?2.0ym，基體表面形成納米晶體結構，晶粒尺寸為30?50nm。8.根據權利要求4?6任一項所述的一種聚變堆氚增殖包層用Fe-AVAl2O3阻氚涂層的制備方法，其特征在于:所述基體材料為鋼材料。
【文檔編號】C23C14/02GK106048519SQ201610584964
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月22日 公開號201610584964.4, CN 106048519 A, CN 106048519A, CN 201610584964, CN-A-106048519, CN106048519 A, CN106048519A, CN201610584964, CN201610584964.4
【發明人】勞遠俠, 汪淵, 牛文驍
【申請人】四川大學