通過磁控濺射在鋯表面鍍鋯銅鎳三元非晶合金薄膜的方法
【專利摘要】通過磁控濺射在鋯表面鍍鋯銅鎳三元非晶合金薄膜的方法，包括以下步驟：以鋯-銅合金靶和鎳靶作為濺射靶，將靶材置于磁控濺射腔室中，在鎳靶下方墊置鈦靶；將鋯件表面精細拋光，清洗并晾干，置于腔室中；關(guān)閉腔室，抽真空至腔室真空度達到4×10-4Pa；往腔室中通入氬氣，使腔室真空度為0.3-0.35Pa，開啟偏壓電源，偏壓清洗，將偏壓電源調(diào)至90~110V，打開對應(yīng)鋯-銅合金靶的直流電源，功率調(diào)節(jié)為85W，同時打開鎳靶的射頻電源，將反射功率調(diào)至1W，射頻功率為17-135W，沉積20-50分鐘，鋯-銅合金靶和鎳靶的傾斜角均為45度，靶基距為90mm，濺射結(jié)束關(guān)閉電源，鋯件表面形成鋯銅鎳三元非晶合金薄膜。
【專利說明】通過磁控濺射在鋯表面鍍鋯銅鎳三元非晶合金薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鍍非晶合金薄膜的方法，具體涉及一種通過磁控濺射在鋯表面鍍鋯銅鎳三元非晶合金薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]化石能源的不斷減少和傳統(tǒng)發(fā)電對環(huán)境的嚴重污染，同時不斷增加的用電需求，促使作為清潔安全的新能源核電將得到長足的發(fā)展。因此隨著核電事業(yè)的不斷發(fā)展，更加安全經(jīng)濟的核反應(yīng)堆堆型將被提出 ，堆內(nèi)高腐蝕強輻照的環(huán)境對核反應(yīng)堆的材料也將有更加苛刻的要求。作為核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料應(yīng)該滿足以下幾個要求:(1)具有良好的室溫和高溫力學(xué)性能；(2)優(yōu)良的耐腐蝕性能；(3)熱中子吸收截面小和吸收中子后的感生放射性弱；(4)在輻照作用下性能穩(wěn)定，熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)小等。
[0003]鋯合金作為核動力堆的燃料包殼和結(jié)構(gòu)材料，已有長期的使用經(jīng)驗?，F(xiàn)有作為包殼膜材料的陶瓷脆性比較大，熱中子吸收截面大，以及與鋯合金基體之間熱膨脹系數(shù)相差甚大而容易脫落，限制了其在核包殼材料上的應(yīng)用，此外合金元素的中子吸收截面和吸氫作用，限制了新合金元素的加入，導(dǎo)致合金化技術(shù)在制備高性能核材料鋯合金的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]解決的技術(shù)問題:本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種工藝簡單且可控性強的通過磁控濺射在鋯表面鍍鋯銅鎳三元非晶合金薄膜的方法，該方法所得ZrCuNi三元非晶合金薄膜膜層均勻致密，膜與基體的熱膨脹系數(shù)相近，具有較強的抗腐蝕能力和好的力學(xué)性能抗輻照能力，是一種良好的核反應(yīng)堆膜材料。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
通過磁控濺射在鋯表面鍍鋯銅鎳三元非晶合金薄膜的方法，包括以下步驟:
(1)靶材選取:以鋯-銅合金靶和鎳靶作為濺射靶，將靶材置于磁控濺射腔室中，在鎳靶下方墊置鈦靶，其中鋯-銅合金靶中鋯和銅的原子比為Zr:Cu=65:35 ；
(2)基體襯底處理:將鋯件表面精細拋光，置于超聲清洗器中依次用乙醇、除油液清洗，后用去離子水清洗并晾干，將處理后的鋯件置于腔室中，其中除油液為丙酮和乙醇的混合液，丙酮和乙醇的體積比為1:2 ；
(3)抽真空:關(guān)閉腔室，抽真空至腔室真空度達到4X10_4Pa；
(4)制備鋯銅鎳三元非晶合金薄膜:往腔室中通入氬氣，調(diào)節(jié)氬氣流量，使腔室真空度為0.3-0.35Pa，開啟偏壓電源至-400V，偏壓清洗3_4分鐘，將偏壓電源調(diào)至9(TllOV，打開對應(yīng)鋯-銅合金靶的直流電源，功率調(diào)節(jié)為85W，同時打開鎳靶的射頻電源，將反射率調(diào)至1W，射頻功率為17-135W，沉積20-50分鐘，鋯-銅合金靶和鎳靶的傾斜角均為45度，靶基距為90mm，濺射結(jié)束關(guān)閉電源，鋯件表面形成厚度為457 (沉積20分鐘廣1090nm (沉積50分鐘)的錯銅鎳三元非晶合金薄膜。
[0006]有益效果非晶合金長程無序短程有序的結(jié)構(gòu)，可以認為是無位錯，無晶界，無第二相的沒有晶體缺陷的凝聚態(tài)材料，該材料具有許多性能上的優(yōu)勢，如具有很高的機械強度，良好的抗腐蝕能力，抗輻照能力強等優(yōu)點，因此非晶合金是一種潛在的優(yōu)良核材料。鋯合金在反應(yīng)堆中具有廣泛的應(yīng)用，鎳合金在反應(yīng)堆中良好的耐腐蝕性能且ZrCu基非晶具有良好的非晶形成能力及良好的導(dǎo)熱性能，因此ZrCuNi非晶合金可能是一種良好的核反應(yīng)堆膜材料。因此本發(fā)明選用直流磁控濺射和射頻磁控濺射共濺法在核材料鋯合金上沉積一層覆蓋完整、附著力好的ZrCuNi非晶合金薄膜,所得ZrCuNi三元非晶合金薄膜膜層均勻致密,具有良好的力學(xué)性能、較強的抗腐蝕能力，且膜與基體均為成分接近的Zr合金材料，相對陶瓷涂層與Zr基體而言，本發(fā)明所用的膜基材料間具有良好的相容性，因此本發(fā)明制備的三元非晶合金薄膜是一種良好的核反應(yīng)堆膜材料， 可應(yīng)用于反應(yīng)堆材料表面鍍層。
[0007]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是實施例1所得Zr62Cu3tlNi8非晶合金薄膜表面的掃描電子顯微鏡圖，由圖可見薄膜表面平整，而且均勻致密；
圖2是不同濺射時間的X射線衍射譜，從圖中可以看出均為平緩的饅頭峰，說明本發(fā)明的薄膜材料是非晶或納米晶，其中曲線a對應(yīng)實施例1，曲線b對應(yīng)實施例2，曲線c對應(yīng)實施例3,曲線d對應(yīng)實施例4,而且可以看出實施例1的無定形結(jié)構(gòu)更加明顯；
圖3是沉積20分鐘即實施例1的高分辨透射電子顯微圖，由圖可見原子排列成無序狀，衍射花環(huán)為暈環(huán)，進一步證實本發(fā)明為非晶態(tài)薄膜；
圖4是實施例1所得復(fù)合材料和純鋯材料在濃度為2.5%NaCl溶液中的極化曲線，可見鍍膜后復(fù)合材料的腐蝕電位高于未鍍膜的純鋯材料；
圖5是沉積20分鐘即實施例1所得復(fù)合材料和純鋯材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，從圖中可以看出，復(fù)合材料的抗拉能力強于純鋯材料。
【具體實施方式】
[0009]本發(fā)明采用北京泰克諾科技有限公司生產(chǎn)的JCP-600M4高真空多靶磁控濺射鍍膜機。
[0010]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0011]實施例1
通過磁控濺射在鋯表面鍍鋯銅鎳三元非晶合金薄膜的方法，包括以下步驟:
(1)靶材選取:選取純度為99.999%的高純銅與99.2%的鋯熔煉成合金靶，Zr和Cu的原子比為65:35，合金靶的尺寸為2英寸X 4.2mm，鎳靶尺度為2英寸X0.1mm，將兩靶材放入磁控濺射腔室相鄰的靶位，在鎳靶下方墊一個2英寸X4mm的鈦靶，以方便固定；
(2)基體襯底處理:將通過線切割切好的大小為IcmX2cm的鋯件表面經(jīng)過精細拋光，放入無水乙醇中超聲清洗10分鐘，再放入除油液中，在20-40°C下超聲除油10分鐘，然后用去離子水清洗，晾干后放入腔室中；
(3)抽真空:關(guān)閉腔室，利用機械泵和分子泵對腔室進行抽真空處理，直至腔室真空度到 4 X KT4Pa ；(4)制備鋯銅鎳三元非晶合金薄膜:往腔室中通入高純氬氣，調(diào)節(jié)氬氣流量，使腔室真空度為0.30-0.35Pa，開啟偏壓電源至-400V，進行偏壓清洗3_4分鐘，將偏壓電源調(diào)至95-105V范圍，打開對應(yīng)鋯銅合金靶的直流電源，功率調(diào)節(jié)為85W，同時也打開鎳靶的射頻電源，將反射功率調(diào)至1W，射頻功率為20W，沉積20分鐘，鋯-銅合金靶和鎳靶的傾斜角均為45度，靶基距為90mm，濺射結(jié)束關(guān)閉電源，鋯件表面形成一層457nm的Zr62Cu3tlNi8非晶合金薄膜。圖1是實施例1所得Zr62Cu3tlNi8非晶合金薄膜表面的掃描電子顯微鏡圖，由圖可見薄膜表面平整，而且均勻致密。
[0012]圖1是實施例1所得Zr62Cu3tlNi8非晶合金薄膜表面的掃描電子顯微鏡圖，由圖可見薄膜表面平整，而且均勻致密。
[0013]圖3為實施例1的高 分辨透射電子顯微圖，由圖可見原子排列成無序狀，衍射花環(huán)為暈環(huán)，進一步證實本發(fā)明為非晶態(tài)薄膜。
[0014]圖4是實施例1所得復(fù)合材料和純鋯材料在濃度為2.5%NaCl溶液中的極化曲線，可見鍍膜后復(fù)合材料的腐蝕電位高于未鍍膜的純鋯材料。
[0015]圖5是實施例1的復(fù)合材料和純鋯材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，從圖中可以看出，復(fù)合材料的抗拉能力強于純鋯材料。
[0016]實施例2
與實施例1不同的為步驟(4)，沉積時間是30分鐘，其他條件和實施例1相同，在鋯件表面形成一層750nm的Zr62Cu3tlNi8非晶合金薄膜。
[0017]實施例3
與實施例1不同的為步驟(4)，沉積時間是40分鐘，其他條件和實施例1相同，在鋯件表面形成一層930nm的Zr62Cu3tlNi8非晶合金薄膜。
[0018]實施例4
與實施例1不同的為步驟(4)，本實施例中的沉積時間是50分鐘，其他條件和實施例1相同，在錯件表面形成一層1090nm的Zr62Cu3tlNi8非晶合金薄膜。
[0019]實施例5
與實施例1不同的為步驟(4)，鎳靶的功率是88W，其他條件和實施例1相同，在鋯件表面形成一層580nm的Zr53Cu25.7Ni21.3非晶合金薄膜。
[0020]圖2是不同濺射時間的X射線衍射譜，從圖中可以看出均為平緩的饅頭峰，說明本發(fā)明的薄膜材料是非晶或納米晶，其中曲線a對應(yīng)實施例1，曲線b對應(yīng)實施例2，曲線c對應(yīng)實施例3，曲線d對應(yīng)實施例4，而且可以看出實施例1的無定形結(jié)構(gòu)更加明顯。
【權(quán)利要求】
1.通過磁控濺射在鋯表面鍍鋯銅鎳三元非晶合金薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)靶材選取:以鋯-銅合金靶和鎳靶作為濺射靶，將靶材置于磁控濺射腔室中，在鎳靶下方墊置鈦靶，其中鋯-銅合金靶中鋯和銅的原子比為Zr:Cu=65:35 ； 2)基體襯底處理:將鋯件表面精細拋光，置于超聲清洗器中依次用乙醇、除油液清洗，后用去離子水清洗并晾干，將處理后的鋯件置于腔室中，其中除油液為丙酮和乙醇的混合液，丙酮和乙醇的體積比為1:2 ； 3)抽真空:關(guān)閉腔室，抽真空至腔室真空度達到4XKT4Pa ； 4)制備鋯銅鎳三元非晶合金薄膜:往腔室中通入氬氣，調(diào)節(jié)氬氣流量，使腔室真空度為0.3-0.35Pa，開啟偏壓電源至-400V，偏壓清洗3_4分鐘，將偏壓電源調(diào)至9(TllOV，打開對應(yīng)鋯-銅合金靶的直流電源，功率調(diào)節(jié)為85W，同時打開鎳靶的射頻電源，將反射功率調(diào)至1W，射頻功率為17-135W，沉積20-50分鐘，鋯-銅合金靶和鎳靶的傾斜角均為45度，靶基距為90mm，濺射結(jié)束關(guān)閉電源，鋯件表面形成厚度為457~1090nm的鋯銅鎳三元非晶合金薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的通過磁控濺射在鋯表面鍍鋯銅鎳三元非晶合金薄膜的方法，其特征在于，步驟I)中鎳靶的純度為99.9%。
3.如權(quán)利要求1所述的通過磁控濺射在鋯表面鍍鋯銅鎳三元非晶合金薄膜的方法，其特征在于，步驟4)中鎳靶的射頻功率調(diào)節(jié)至20W，沉積20分鐘，鋯件表面形成厚度為457nm的Zr62Cu3tlNi8三元非晶合金薄膜。
4.如權(quán)利要求1所述的通過磁控濺射在鋯表面鍍鋯銅鎳三元非晶合金薄膜的方法，其特征在于，步驟4)中鎳靶的射頻功率調(diào)節(jié)至20W，沉積30分鐘，鋯件表面形成厚度為750nm的Zr62Cu3tlNi8三元非晶合金薄膜。
5.如權(quán)利要求1所述的通過磁控濺射在鋯表面鍍鋯銅鎳三元非晶合金薄膜的方法，其特征在于，步驟4)中鎳靶的射頻功率調(diào)節(jié)至20W，沉積40分鐘，鋯件表面形成厚度為930nm的Zr62Cu3tlNi8三元非晶合金薄膜。
【文檔編號】C23C14/35GK103741104SQ201310719194
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】楊亮, 戈濤 申請人:南京航空航天大學(xué)