專利名稱：一種鋼基多功能陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金鋼表面防護(hù)新技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種鋼基多功能陶瓷復(fù)合涂層 及其制備方法。
背景技術(shù)：
在聚變堆中，包層是實(shí)現(xiàn)氚燃料自持和聚變能應(yīng)用的關(guān)鍵部件。包層中增殖的 氚將可能以間隙原子形式向金屬中擴(kuò)散，且有較高的滲透能力，很容易通過結(jié)構(gòu)材 料向包層外滲透， 一方面造成氣燃料的泄漏與流失，另一方面氚具有一定的放射性， 容易對(duì)工作人員及周圍居民造成潛在放射性危害。另外，包層中流動(dòng)的液態(tài)鋰鉛合 金對(duì)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕是可能引起包層性能降低乃至破壞的主要因素，同時(shí)液態(tài)金屬 在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下流動(dòng)將產(chǎn)生磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)效應(yīng)，抑制液態(tài)金屬的流動(dòng)，從而 改變液態(tài)金屬的流場(chǎng)分布和湍流特性，并最終影響流體的傳熱效果和聚變堆的熱效 率。因此要求表面涂層具有以下主要功能(1)防氚滲透；(2)阻止液態(tài)金屬對(duì)結(jié) 構(gòu)材料的腐蝕；(3)具有電絕緣特性，以降低液態(tài)金屬M(fèi)HD效應(yīng)。
目前作為防氚滲透的絕緣材料主要包括氧化鋁和碳化硅,但由于制備工藝差異， 氧化鋁涂層在液態(tài)鋰鉛環(huán)境下的氚滲透降低因子(TPRF)低于聚變堆設(shè)計(jì)要求100, 且與鋰鉛的相容性溫度只有-48(TC。研究表明當(dāng)致密石友化硅涂層厚度達(dá)到-2 (am時(shí)， 即具有很高的TPRF值(-10000 )，且與鋰鉛的相容性溫度可達(dá)到80(TC以上，但其 與合金鋼的熱物性(如熱膨脹系數(shù)等)相差較大，導(dǎo)致兩者在高溫下的結(jié)合性能很 差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鋼基多功能陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法，利用真空 等離子體噴涂工藝，在合金鋼表面通過優(yōu)化組合氧化鋁和碳化硅并在其間加入二氧 化硅以制備氧化鋁/二氧化硅/碳化硅復(fù)合涂層，最后利用熱等靜壓工藝對(duì)復(fù)合涂層 整體進(jìn)行致密化處理，進(jìn)一步提高復(fù)合涂層的防氚滲透、耐鋰鉛腐蝕及電絕緣性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種鋼基多功能陶瓷復(fù)合涂層，其特征在于在合金鋼表面依次涂覆鐵鋁合金層、氧化鋁涂層、二氧化硅涂層及^ 友化A圭涂層。
所述各層的厚度為鐵鋁合金層50-150 ium、氧化鋁涂層20-100 jum、 二氧化 硅涂層10-50 ium及表面的碳化硅涂層20-100 )am。
所述的復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于以鐵鋁粉為原料利用真空等離子體 噴涂工藝在合金鋼表面制備厚度為50-150 jum的鐵鋁合金層；以氧化鋁粉為原料利 用真空等離子體噴涂工藝在鐵鋁合金層上制備厚度為20-100 (am的氧化鋁涂層；以 二氧化硅石英粉為原料利用真空等離子體噴涂工藝在氧化鋁層上制備厚度為10-5 0 iam的二氧化硅涂層；以碳化硅粉為原料利用真空等離子體噴涂工藝在二氧化硅層 上制備厚度為20-100 ju m的碳化硅涂層；最后利用熱等靜壓工藝對(duì)復(fù)合涂層整體進(jìn) 行致密化處理。
本發(fā)明的復(fù)合涂層，其氧化鋁涂層的熱膨脹系數(shù)介于合金鋼和碳化硅的熱膨脹 系數(shù)之間，所以鐵鋁合金層和氧化鋁層可以作為中間層，另外通過在氧化鋁和碳化 硅之間加入二氧化硅玻璃層以進(jìn)一步阻止氘和氣向合金鋼基體方向的滲透。由于二 氧化硅的硬度小于氧化鋁和碳化硅，相對(duì)于二者二氧化硅為韌性材料，所以其還可 以作為二者之間的緩沖層，增強(qiáng)氧化鋁層與碳化硅層的結(jié)合性能，提高復(fù)合涂層的 熱震穩(wěn)定性，保持了復(fù)合涂層整體在高溫服役條件下的完整性，從而使復(fù)合涂層的 防氚滲透、耐鋰鉛腐蝕及電絕緣性能得以實(shí)現(xiàn)，并最終延長(zhǎng)液態(tài)金屬包層的其服役 時(shí)間。
本發(fā)明得到的復(fù)合涂層總厚度達(dá)到100-400 mm,在氣相中的TPRF值可達(dá)到 1000-10000，在液態(tài)鋰鉛中TPRF ^f直可達(dá)到100,并且具有電絕緣功能，電阻率可達(dá) 到cm,同時(shí)復(fù)合涂層與液態(tài)鋰鉛的相容性溫度可以達(dá)到800°C?？梢詰?yīng)用于 核聚變反應(yīng)堆包層結(jié)構(gòu)材料表面，并可有效地解決防氚滲透、液態(tài)鋰鉛腐蝕及MHD 效應(yīng)等問題。
鑒于本發(fā)明復(fù)合涂層的防氚滲透、耐腐蝕、電絕緣、高硬度及優(yōu)異熱穩(wěn)定性等 多重功能，其除了適用于要求苛刻的聚變堆及其它核工業(yè)領(lǐng)域外，也可應(yīng)用于化工 行業(yè)的反應(yīng)釜內(nèi)壁及日常生活中家具表面的耐腐蝕處理，電器行業(yè)中產(chǎn)品部件表面 電絕緣處理，制造業(yè)中的合金鋼如高速鋼等的切削道具表面硬質(zhì)涂層處理，以及鍋 爐及耐高溫材料表面的熱障涂層防護(hù)處理等。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中，l為基體合金鋼，2為鐵鋁合金層，3為氧化鋁涂層，4為二氧化硅涂 層，5為碳化硅涂層。
鋼基多功能陶瓷復(fù)合涂層的制備方法
1. 利用真空等離子體噴涂工藝在基體合金鋼l表面制備厚度為50-150 jum的鐵 鋁合金層2。
2. 利用真空等離子體噴涂工藝在鐵鋁合金層上制備厚度為20-100(jm的氧化 鋁涂層3。
3. 利用真空等離子體噴涂工藝在氧化鋁涂層3上制備厚度為10-50 )i m的二氧 化硅涂層4。
4. 利用真空等離子體噴涂工藝在二氧化硅玻璃層4上制備厚度為20-lOO)am 的碳化硅涂層5。
5. 利用熱等靜壓工藝對(duì)復(fù)合涂層整體進(jìn)行致密化處理，得到多功能多用途陶瓷 復(fù)合涂層的氧化鋁/二氧化硅/碳化硅復(fù)合涂層。
權(quán)利要求
1.一種鋼基多功能陶瓷復(fù)合涂層，其特征在于在合金鋼表面依次涂覆鐵鋁合金層、氧化鋁涂層、二氧化硅涂層及碳化硅涂層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合涂層，其特征在于所述各層的厚度為鐵鋁合金層 50-150 pm、氧化鋁涂層20-100 (am、 二氧化珪涂層10-50 iam及表面的石友化 石圭涂層20-100 jLim。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于以鐵鋁粉為原料利 用真空等離子體噴涂工藝在合金鋼表面制備厚度為50-150 nm的鐵鋁合金層； 以氧化鋁粉為原料利用真空等離子體噴涂工藝在鐵鋁合金層上制備厚度為 20-100 nm的氧化鋁涂層；以二氧化硅石英粉為原料利用真空等離子體噴涂工 藝在氧化鋁層上制備厚度為10-50 um的二氧化硅涂層；以碳化硅粉為原料利 用真空等離子體噴涂工藝在二氧化硅層上制備厚度為20-100 pm的碳化硅涂 層；最后利用熱等靜壓工藝對(duì)復(fù)合涂層整體進(jìn)行致密化處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼基多功能陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法，包括附著在合金鋼表面的鐵鋁合金層、氧化鋁涂層、二氧化硅涂層及碳化硅涂層。本發(fā)明提供了一種以鐵鋁粉、氧化鋁粉、二氧化硅(石英)粉、碳化硅粉為原料，用真空等離子體噴涂工藝在合金鋼基體材料表面制備復(fù)合涂層，最后利用熱等靜壓工藝對(duì)復(fù)合涂層進(jìn)行致密化處理，以最終得到新型氧化鋁/二氧化硅/碳化硅多功能陶瓷復(fù)合涂層的方法。本發(fā)明方法工序簡(jiǎn)潔，便于大規(guī)模生產(chǎn)，除了適用于要求苛刻的聚變堆及其它核工業(yè)領(lǐng)域外，也可應(yīng)用于化工行業(yè)、日用家具行業(yè)、電器行業(yè)、制造業(yè)以及鍋爐及耐高溫材料領(lǐng)域等。
文檔編號(hào)B32B18/00GK101579958SQ20091011718
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月29日
發(fā)明者嚴(yán)資林, 吳宜燦, 勇 宋, 郭智慧, 黃群英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所