專利名稱：：一種氧化鉺阻氫涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種阻氫涂層及其制備方法，特別是含有Er203的阻氫涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
：阻氫涂層材料通常應(yīng)用于熱核實驗反應(yīng)堆中，其作用是防氖滲透，例如保證液態(tài)包層系統(tǒng)中環(huán)境和冷卻劑中的安全氚水平，防止氚從增殖劑中向冷卻劑中、從管道中向環(huán)境中滲透。其結(jié)構(gòu)通常包括基體和涂層材料等部分。針對阻氫及氫同位素涂層材料的設(shè)計要求，需要在如下幾個方面滿足系統(tǒng)運行需要良好的絕緣電阻率、良好的阻氫性能以及涂層材料本身與基體之間的良好熱膨脹匹配，從而在經(jīng)歷冷熱循環(huán)的條件下，使得涂層具有良好的可靠性。目前常用的基體材料是低活性馬氏體鋼，在其上制備的阻氫涂層材料中，Er203是一種比較理想的體系，在聚變堆液態(tài)包層等方面具有良好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有技術(shù)在制備Er203涂層時，采用的是在經(jīng)過氧化熱處理的Fe-Al過渡層上制備。這種方法的好處是已經(jīng)證實Fe-Al層本身是一種良好的韌性過渡層，與基體材料有良好的結(jié)合性能，同時經(jīng)適當(dāng)工藝熱處理后表面可以形成Ah03。八1203也是一種良好的阻氫材料，在上面制備Er203可以保證良好的阻氫性能。但不利的方面是Er203生長在Al203上，這兩種材料間沒有類似Fe-Al層這樣起到緩沖作用的過渡層以增加結(jié)合力、降低應(yīng)力。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供一種比較簡單的制備Er203阻氫涂層及其制備方法，其可在鋼基體與Er203涂層之間形成具有良好緩沖作用的應(yīng)力釋放區(qū)。本發(fā)明的內(nèi)容包括一種氧化鉺阻氫涂層，其包括依次布設(shè)的基體、Fe-Er金屬過渡層和Er203涂層。本發(fā)明的上述氧化鉺阻氫涂層，其中該基體可以是低活化馬氏體鋼或奧氏體鋼。本發(fā)明的上述氧化鉺阻氫涂層，其中該低活化馬氏體鋼可以是EuroFER97'、CLAM。本發(fā)明的上述氧化鉺阻氫涂層，其中該Fe-Er金屬過渡層可以是具有面心立方結(jié)構(gòu)的ErFe2或Er6Fe23合金。本發(fā)明的上述氧化鉺阻氫涂層，其中該Fe-Er金屬過渡層和Er203涂層總厚度不超過15pm。另一方面，本發(fā)明還提供上述氧化鉺阻氫涂層的制備方法，其步驟包括:1.基體上以氣相沉積法制備Fe-Er金屬過渡層；2.該金屬過渡層上以氣相沉積法制備組成Ef203涂層。本發(fā)明的上述氧化鉺阻氫涂層的制備方法，其中該氣相沉積法可以是物理氣相沉積法或化學(xué)氣相沉積法。本發(fā)明的上述氧化鉺阻氫涂層的制備方法，其中該制備Fe-Er金屬過渡層的步驟可包括如下步驟以ErFe2或Er6Fe23靶為濺射制備靶材；先預(yù)抽真空至l(T5~l(T3Pa;然后通入Ar氣進(jìn)行直流濺射，濺射電流為0.2-2A，濺射氣壓為0.1Pa30Pa，加熱溫度為300600°C，耙基距30-80mm。本發(fā)明的上述氧化鉺阻氫涂層的制備方法，其中該制備Fe-Er金屬過渡層的步驟也可包括如下步驟以ErFe2或Er6Fe23靶為濺射制備靶材；先預(yù)抽真空至l(T5~l(T3Pa;然后通入Ar氣進(jìn)行射頻濺射，射頻功率為50-400W,濺射氣壓為0.1Pa-30Pa，加熱溫度為300-600°C，靶基距30-80mm。本發(fā)明的上述氧化鉺阻氫涂層的制備方法，其中該制備El"203涂層的步驟可包括如下步驟先預(yù)抽真空至10—5~l(T3Pa;然后通入Ar和02混合氣體進(jìn)行直流濺射，Ar/02氣壓比為1-50，濺射電流為0.2-2A，濺射氣壓為0.1Pa-30Pa，加熱溫度為300-600°C，耙基距30-80mm。本發(fā)明的上述氧化鉺阻氫涂層的制備方法，其中該制備Ef203涂層的步驟也可包括如下步驟先預(yù)抽真空至10—510—3Pa;然后通入Ar和02混合氣體進(jìn)行射頻濺射，Ar/02氣壓比為1-50，射頻功率為50-400W;濺射氣壓為0.1Pa-30Pa，加熱溫度為300-600°C，耙基距30-80mm。本發(fā)明的有益效果在于由于過渡層成分是Fe-Er合金，含有基體和涂層兩種基本元素，因此，在鋼基體與Er203涂層之間形成了具有良好緩沖作用的應(yīng)力釋放區(qū)。同時即使過渡層表面在后續(xù)制備El"203涂層的過程中發(fā)生氧化，也會因與涂層材料成分相同而緊密結(jié)合。選擇的過度層成分是具有面心立方的韌性組織，在經(jīng)歷多次冷熱循環(huán)以后也不容易造成涂層脫落，具有良好的可靠性。同時由于去除了傳統(tǒng)方法中制備Fe-Al/Al203的步驟，使得結(jié)構(gòu)和工藝更簡單，也去除了可能影響可靠性的不利因素。圖l所示為實施例2制備的氧化鉺阻氫涂層結(jié)構(gòu)示意圖。圖2所示為實施例2制備的氧化鉺阻氫涂層放大2000倍的金相照片。具體實施例方式本發(fā)明的氧化鉺阻氫涂層分為基體、金屬過渡層以及Er203涂層三個部分。其中基體材料是低活化的馬氏體鋼材料或奧氏體鋼材料，這兩種材料可在高中子輻照條件下無輻射腫脹和輻射損傷，保持結(jié)構(gòu)的強度。由于基體材料是鋼，因此與氧化物涂層之間在熱膨脹系數(shù)上有較大差別，直接在上面制備涂層材料容易引起較大的層間熱應(yīng)力，影響可靠性；一般需要引入金屬過渡層來對基體和涂層之間進(jìn)行匹配緩沖?？紤]到與兩方的相容性，過渡層選用FeEr合金材料。其制備工藝可選用常規(guī)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，也可采用物理氣相沉積技術(shù)，在本發(fā)明的一個實施方案中采用了物理氣相沉積技術(shù)中的射頻磁控濺射方法。制備Er203涂層可采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，也可采用物理氣相沉積技術(shù)?；瘜W(xué)氣相沉積方法的一種實施方案包括使用化學(xué)氣相沉積設(shè)備，向反應(yīng)室內(nèi)通以400600。CEr鹽蒸汽，Er鹽為金屬有機鹽，如Er-(tmhd)3。同時通入混合氣體CVH2/Ar(其中H2占總氣壓的60-90%,Ar氣占總氣壓的0.2-2%，其余為02和Er鹽蒸氣)，混合氣體與Er鹽蒸氣壓比約為140。在600800°C,于化學(xué)氣相沉積設(shè)備反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行蒸鍍，腔體總壓為20600Pa。本發(fā)明的另一個實施方案中采用了物理氣相沉積技術(shù)中的反應(yīng)射頻磁控濺射方法。下面結(jié)合具體的實施例進(jìn)行說明實施例1射頻磁控濺射方法制備金屬過渡層以射頻磁控濺射的方法制備金屬過渡層。首先以CLAM為基體。采用直徑68mm的ErFe2靶，以機械泵、分子泵順序抽真空室真空至2.0Xl(T4Pa。然后通入20sccm的Ar氣，調(diào)整濺射氣壓至0.5Pa，以射頻功率100W進(jìn)行濺射，濺射時的靶基距為55mm;在基體溫度加熱至300°C時，經(jīng)50分鐘濺射獲得約lpm的ErFe2過渡層。實施例2反應(yīng)射頻磁控濺射制備Er203涂層采用純Er靶，利用反應(yīng)射頻磁控濺射在制備好ErFe2過渡層的基體上制備Er203涂層。采用直徑68mm的Er靶，以機械泵、分子泵順序抽真空室真空至2.0Xl(T4Pa。然后通入20sccm的Ar氣和2sccm02的混合氣體進(jìn)行反應(yīng)濺射；調(diào)整濺射氣壓至0.2Pa,以射頻功率150W進(jìn)行濺射，濺射時靶基距為55mm，基體加熱溫度500QC，經(jīng)5小時濺射獲得約3|im的Er203涂層。制備的阻氫涂層結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中1是基體材料；2是基礎(chǔ)材料上制備的金屬過渡層，本例中為厚lnm的ErFe2層；3是Er203涂層，厚度為3ym。實施例3測量氧化鉺阻氫涂層的電阻率在室溫下將實施例2所制備樣品的表面和鋼基體作為兩極，施加不同的直流電壓，測量對應(yīng)的微電流，以電壓/電流的比值測得絕緣電阻，并計算樣品的厚度和截面積，換算出絕緣電阻率。測得Er203涂層的絕緣電壓和電流的關(guān)系如表1所示。測量電極面積0.314cm2，經(jīng)換算120V電壓下其絕緣電阻率為5.02X1013Qcm，可見所制備的Er203阻氫涂層具有高絕緣電阻率。表i<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例4以掃描電子顯微鏡觀察實施例2所制備樣品的表面形貌，如附圖2所示?？梢娫谝勒毡景l(fā)明的方法制備的Ef203涂層具有非常優(yōu)異的細(xì)晶化特征，其晶粒尺寸遠(yuǎn)小于lpm。并且具有良好的表面均勻性和致密性，適宜作為優(yōu)良的阻氫涂層材料。權(quán)利要求1.一種氧化鉺阻氫涂層，其包括依次布設(shè)的基體、Fe-Er金屬過渡層和Er2O3涂層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鉺阻氫涂層，其中所述基體為低活化馬氏體鋼或奧氏體鋼。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化與阻氫涂層，其中所述低活化馬氏體鋼為EuroFER97,、CLAM。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的氧化鉺阻氫涂層，其中所述Fe-Er金屬過渡層為具有面心立方結(jié)構(gòu)的ErFe2或Er6Fe23合金。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的氧化鉺阻氫涂層，其中所述Fe-Er金屬過渡層和Er203涂層總厚度不超過15pm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鉺阻氫涂層的制備方法，其步驟包括一、在基體上以氣相沉積法制備Fe-Er金屬過渡層；二、在該金屬過渡層上以氣相沉積法制備Ef203涂層。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化鉺阻氫涂層的制備方法，其中所述氣相沉積法為物理氣相沉積法或化學(xué)氣相沉積法。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化鉺阻氫涂層的制備方法，其中所述制備Fe-Er金屬過渡層的步驟包括以ErFe2或Er6Fe23靶為濺射制備靶材；先預(yù)抽真空至l(T5~10—3Pa;然后通入Ar氣進(jìn)行直流濺射，濺射電流為0.2-2A,濺射氣壓為0.1Pa-30Pa，加熱溫度為300-600°C，靶基距30-80mm。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化鉺阻氫涂層的制備方法，其中所述制備Fe-Er金屬過渡層的步驟包括以ErFe2或Er6Fe23靶為濺射制備靶材；先預(yù)抽真空至l(T5~l(r3Pa;然后通入Ar氣進(jìn)行射頻濺射，射頻功率為50-400W，濺射氣壓為0.1Pa-30Pa，加熱溫度為300-600°C,靶基距30-80mm。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化鉺阻氫涂層的制備方法，其中所述制備Ef203涂層的步驟包括先預(yù)抽真空至l(T5~l(T3Pa;然后通入Ar和02混合氣體進(jìn)行直流濺射，Ar/02氣壓比為1-50，濺射電流為0.2-2A，濺射氣壓為0.1Pa-30Pa，加熱溫度為300-600°C，革巴基距30誦80mm。11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化鉺阻氫涂層的制備方法，其中所述制備Er203涂層的步驟包括先預(yù)抽真空至10—5~l(r3Pa;然后通入Ar和02混合氣體進(jìn)行射頻濺射，Ar/Cb氣壓比為1-50，射頻功率為50-400W;濺射氣壓為0.1Pa-30Pa，加熱溫度為300誦600。C，耙基距30誦80mm。全文摘要本發(fā)明涉及一種阻氫涂層體系及其制備方法，特別是含有Er₂O₃的阻氫涂層體系及其制備方法。涂層以活化馬氏體鋼或奧氏體鋼為基體，在基體上以Fe-Er為金屬過渡層，其上涂覆有Er₂O₃涂層。其制備方法包括在基體上以氣相沉積法制備Fe-Er合金，其后在該金屬過渡層上以氣相沉積法制備Er₂O₃層。文檔編號C23C14/16GK101469399SQ200710304408公開日2009年7月1日申請日期2007年12月27日優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日發(fā)明者古宏偉,新巨,弢李,楊旭東,梅湯申請人:北京有色金屬研究總院