專利名稱：不銹鋼防氚滲透材料的制作工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種防氚滲透復(fù)合材料的制作工藝，具體說是一種不銹鋼防氚滲透材料的制作工藝。
不銹鋼因其具有良好的抗輻照性能和可焊性好，因此它是未來聚變堆的一種重要工藝材料。然而，氚對所有金屬材料都有很高的滲透率，對不銹鋼也不例外。目前，金屬結(jié)構(gòu)材料的防氚滲透性能的研究不是研究金屬結(jié)構(gòu)材料本身的防氚滲透性能，而是研究金屬結(jié)構(gòu)材料表面涂層材料的防氚滲透性能。在現(xiàn)有技術(shù)中涂層可分兩類一類是利用金屬結(jié)構(gòu)材料自身元素氧化生成致密的氧化膜。例如Tritium Proceeding.April29-Mayl(1980)98～101介紹的用控制氧化的方法在鋁金屬表面生成致密的Al2O3膜，氚在這種膜中擴散滲透過程中生成OT-離子防氚滲透阻擋層，可以降低氚在鋁中的滲透率。另一類是在金屬結(jié)構(gòu)材料表面，用化學(xué)蒸發(fā)沉積、離子濺射或離子注入方法鍍膜，形成防氚滲透阻擋層。例如，Acc-NO DOE/ET/52022(1979).Tritium Diffusion in Nonmetallic Solide of Interest for Fusion.Final Report中所介紹的固態(tài)非金屬Al2O3、BeO、Y2O3、SiC、B4C、Si3N4都可作為防氚滲透材料。但是對不銹鋼而言，利用其自身元素氧化生成的Cr2O3膜或在其表面鍍膜，形成的上述固態(tài)非金屬涂層，雖然都具有一定的防氚滲透效果，但是這兩類涂層因其防氚性能差、穩(wěn)定性差、與基體相容性差，抗熱沖性能差而不適作特定工藝材料。
本發(fā)明目的是提供一種防氚滲透性好，涂層穩(wěn)定、與基體相容性好，抗熱沖的不銹鋼防氚滲透材料的制作工藝。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種不銹鋼防氚滲透材料的制作工藝，包括用化學(xué)蒸發(fā)沉積法在不銹鋼表面鍍鈦膜;隨后在400°～600℃溫度下通入C2H2氣體，在不銹鋼表面生成TiC膜，或者先通入N2氣，在不銹鋼表面生成后TiN膜，再通入C2H2氣體，在不銹鋼表面生成TiN+TiC的復(fù)合膜;將鍍有TiC膜或TiN+TiC復(fù)合膜的不銹鋼在氬氣氣氛中通氫，并在300°～450℃溫度下保溫退火處理，則在TiC表面生成CH-4離子防氚阻擋層。不銹鋼及其表面的TiC膜或TiN+TiC復(fù)合膜在氬氣保護氣氛下通氫，并保溫退火處理形成不銹鋼防氚滲透材料。
本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于氚在TiC膜或TiN+TiC復(fù)合膜中的擴散滲透率比其在基體材料不銹鋼中的擴散滲透率降低幾個數(shù)量級，而且這兩種膜本身性能穩(wěn)定，與基體材料結(jié)合強度高，抗熱沖擊能力強，尤其采用復(fù)合膜時，因TiN比TiC與基體材料有更好的相容性，且TiC和TiN之間相容性又很好，所以TiN+TiC復(fù)合膜比TiC膜與基體材料有更好的相容性。因此用本發(fā)明制作的不銹鋼防氚滲透材料是一種良好的防氚滲透工藝材料，具有廣泛的用途，它可作為聚變堆的第一壁材料，氚增殖劑輻照罐中氚增殖劑的包殼材料或其他含氚容器的結(jié)構(gòu)材料。
現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述

圖1為316L不銹鋼表面鍍TiC膜，在不同溫度下保溫退火時間與氚滲透率對數(shù)關(guān)系曲線;
圖2為316L不銹鋼表面鍍TiN+TiC膜，在不同溫度下保溫退火時間與氚滲透率對數(shù)關(guān)系曲線。
圖1和圖2中縱坐標為滲透率對數(shù)，橫坐標為保溫退火時間(小時)。
將一雙杯形316L不銹鋼樣品經(jīng)表面拋光和清洗后置于真空鍍膜機內(nèi)，鍍膜機內(nèi)設(shè)有Ti電弧電極，用化學(xué)蒸發(fā)沉積法在樣品表面沉積200
左右的Ti，隨后在400°～600℃溫度下通入C2H2氣生成約2.5μm的TiC膜，或先通入N2氣，生成1μm左右的TiN膜，再通入C2H2氣，生成2.5μm左右的TiN+TiC復(fù)合膜;將鍍有TiC膜或TiN+TiC復(fù)合膜的樣品在普通氬氣(含有10ppm氧、5ppm氫)氣氛中，并在300℃溫度下保溫退火20天，則在TiC表面生成CH-4離子防氚滲透阻擋層。
利用公知的滲透率的測量方法和裝置測得氚在上述的316L不銹鋼表面鍍TiC膜或TiN+TiC復(fù)合膜中的擴散滲透率如表1和表2所示。
表1
表2
表1和表2中φA、φB和φC分別表示測量值、經(jīng)驗公式計算值和清潔表面316L不銹鋼測量值，單位為Mol[NPJ]/M·S·MPa1/2;T(°K)為測量時溫度。
由表1和表2可見，氚在316L不銹鋼表面鍍TiC和鍍TiN+TiC膜中的擴散滲透率比基體材料分別低4～6量級和5～6量級，而且在200°～450℃范圍內(nèi)氚的擴散滲透率隨溫度變化不大，500℃起氚的擴散滲透率明顯上升，到600℃左右氚的擴散滲透率上升最為明顯。
將鍍有TiC或TiN+TiC膜的316L不銹鋼樣品分別在336℃和611℃普通氬氣(含10ppm氧，5ppm氫)氣氛中保溫25天和1天及未經(jīng)普通氬氣氣氛中保溫處理的樣品分別用二次離子質(zhì)譜儀進行膜的表面成分分析，發(fā)現(xiàn)在336℃的氬氣氣氛保溫處理后TiC膜表面含有大量CH-4離子，而在611℃的氬氣氣氛中TiC膜表面CH-4離子的含量僅為336℃時萬分之一，未經(jīng)處理的TiC膜表面CH-4離子含量很少。
實驗結(jié)果表明在300℃以下保溫處理這兩種膜時，因膜中還未形成大量CH-4離子防氚阻擋層，氚在TiC或TiN+TiC膜中的擴散是分子擴散，而在300°～450℃下保溫退火處理TiC膜或TiN+TiC膜后，在膜的表面生成大量的CH-4離子，CH-4離子在TiC膜的晶格中處于靜止狀態(tài)，氚在這種膜中的主要遷移方式是T+在基本晶格中從某一個碳的位置移動到鄰近碳的位置，氚在膜中遷移后在膜表面上生成T2或HT離開膜表面，所以TiC膜表面的CH-4離子形成了防氚滲透阻擋層。在450°～600℃范圍內(nèi)由于膜被氧化，使CH-4逐漸被氧化生成碳和水，破壞了防氚滲透阻擋層，使氚在TiC膜中的擴散又變成分子(T2或HT)擴散。如果將鍍有TiC膜或TiN+TiC復(fù)合膜的316L不銹鋼樣品在純氬氣(不含氧)的氣氛中通氫，并在300°～450℃溫度下保溫退火處理，可期望這兩種膜的防氚滲透使用溫度超過600℃。
實驗還表明本實施例生成的不銹鋼防氚滲透材料在200°～450℃溫度下經(jīng)90天試驗期間，氚在TiC或TiN+TiC膜中擴散滲透率穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)有任何變化。90天以后將樣品在室溫下放置90天。再重新進行同樣試驗，氚的擴散滲透率依然穩(wěn)定不變。
將上述樣品在膜剝離機上進行剝離時發(fā)現(xiàn)，兩種膜與基體材料結(jié)合強度大于基體材料本身的結(jié)合強度;將樣品在電子探針下觀察，膜與基體材料擴散結(jié)合得很好，沒有發(fā)現(xiàn)膜與基體材料之間有縫隙現(xiàn)象，說明TiC或TiN+TiC膜與316L不銹鋼相容性很好。將上述樣品在氬氣氣氛中加熱到611℃，保溫21小時，再迅速冷卻到室溫，進行上述檢驗時沒有發(fā)現(xiàn)膜的結(jié)構(gòu)、膜與基體材料的結(jié)合強度有任何變化，因此TiC膜或TiN+TiC復(fù)合膜具有良好的抗熱沖擊性能。將樣品分別加熱到200℃、400℃和600℃，放在百萬分之一的天平上稱重，發(fā)現(xiàn)在200°～600℃之間膜的質(zhì)量損失均小于百萬分之五，所以TiC或TiN+TiC復(fù)合膜穩(wěn)定性好。
圖1和圖2還分別給出316L不銹鋼鍍TiC膜或TiN+TiC復(fù)合膜后在不同溫度下保溫退火時間與氚滲透率對數(shù)關(guān)系曲線，由圖1和圖2可見，在400℃溫度下保溫退火12～20天，則在TiC表面也能生成CH-4離子防氚滲透阻擋層。
勘誤表
權(quán)利要求
1.一種不銹鋼防氚滲透材料的制作工藝，包括用化學(xué)蒸發(fā)沉積法在不銹鋼表面鍍鈦膜，其特征在于隨后在400℃～600℃溫度下通入C2H2氣體，在不銹鋼表面生成TiC膜，將鍍有TiC膜的不銹鋼在氬氣氣氛中通氫，并在300℃～450℃溫度下保溫退火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種不銹鋼防氚滲透材料的制作工藝，其特征在于在400°～600℃溫度下先通入N2氣，在不銹鋼表面生成TiN膜，然后再通入C2H2氣體，在不銹鋼表面生成TiN+TiC復(fù)合膜，將鍍有TiN+TiC復(fù)合膜的不銹鋼在氬氣氣氛中通氫，并在300°～450℃溫度下保溫退火。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所說的一種不銹鋼防氚滲透材料的制作工藝，其特征在于鍍有TiC膜或TiN+TiC膜的不銹鋼在含有10ppm氧，5ppm氫的氬氣氣氛中在300℃溫度下保溫退火20天。
全文摘要
本發(fā)明公開一種不銹鋼防氚滲透材料的制作工藝，包括用化學(xué)蒸發(fā)沉積法在不銹鋼表面鍍鈦，在400°～600℃通入C
文檔編號C23C28/00GK1083128SQ9210952
公開日1994年3月2日 申請日期1992年8月20日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月20日
發(fā)明者山常起, 吳艾菊, 陳慶旺, 戴少俠, 趙子強, 李永靜, 黃秋榮, 施所朗 申請人:中國原子能科學(xué)研究院