[发明专利]一种钢基阻氢渗透复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本方法公开了一种钢基阻氢渗透复合涂层及其制备方法。该涂层可以用于钢的渗透阻挡涂层，特别是该涂层可用于氢存储、输运器件的阻氢渗透涂层，也可用于下一代核聚变反应堆第一壁结构材料的阻氚渗透涂层。

背景技术

涉氢的应用领域广泛存在氢渗透和扩散的问题，氢的渗透会导致一系列问题如氢脆、氢析出富集等。在核聚变反应堆中，作为第一壁结构材料的不锈钢处于较高工作温度条件，高温下其氚渗透率会显著升高，氚的渗透不仅造成氚的浪费、不锈钢氢脆，对环境也会造成严重的放射性污染。因此，阻氢渗透材料在涉氢应用领域具有巨大的应用潜力。目前，对阻氢渗透材料的研究主要集中在结构材料表面形成有效的阻氢渗透涂层。

不同涂层材料体系中，氧化铝具有优异的阻氢渗透性能、化学稳定性和耐腐蚀性能等，其氢渗透降低因子高达10³，被确定为最有潜力的阻氢渗透涂层材料之一[K.S.Forcey，D.K.Ross.J.Nucl.Mater.182(1991)36；D.Levchuk，F.Koch，H.Maier，H.Bolt，J.Nucl.Mater.328(2004)103]。但是，由于氧化铝(α-氧化铝)热膨胀系数为6.9×10^-6K^-1，与不锈钢基体热膨胀系数(如，316不锈钢18.5×10^-6K^-1)存在较大差异，不锈钢基体上直接沉积的氧化铝涂层的高温结合力低、容易剥落，严重影响了其实际使用中的阻氢渗透性能。一种解决办法是在所述不锈钢基体上提供合金中间层作为过渡层。CN101469409A、CN101265603A、CN101845645A公布了合金过渡层的复合涂层制备技术，所述金属或合金过渡层为Al或FeAl合金，可由包埋渗铝、热喷涂、热浸镀、物理气相沉积、化学气相沉积等获得。虽然此类过渡层韧性高，对基体具有良好的结合性能，但金属或合金层的制备涉及金属层涂覆及高温后处理，制备工艺复杂，成本高。

GB2093073A公开了一种不锈钢基体表面原位热生长氧化物涂层作为氢渗透阻挡涂层的技术，通过900-1000℃氧化气氛下在不锈钢表面热生长一层含有氧化铬的的氧化物涂层，所述热生长氧化物涂层对不锈钢基体结合强度高，并且具备自我修复能力。但是，不锈钢基体热生长氧化物涂层由于其阻氢渗透性能较差而具有一定局限性，热生长氧化物涂层的氢渗透降低因子为2-25[A.Aiello，M.Utili，S.Scalia，G.Coccoluto，84(2009)385]。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢基体上阻氢渗透复合涂层及其制备方法，为提高不锈钢的阻氢渗透性能，申请人提出在不锈钢基体上制备阻氢渗透复合涂层，首先通过原位低氧分压热生长氧化物涂层作为内层，之后在该热生长氧化物涂层上采用反应磁控溅射、等离子喷涂、化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积、溶胶凝胶法等方法中的一种或多种混合制备氧化铝涂层作为外层。使用本发明的方法获得的阻氢渗透复合涂层具有涂层结合力高、热循环性能优异、阻氢渗透性能优异等优点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种阻氢渗透复合涂层，该复合涂层由在钢基体原位热生长的氧化物涂层作为内层，和氧化铝涂层作为外层复合而成。

所述复合涂层由钢基体(优选含铬合金钢基体)热生长氧化物涂层，以及热生长氧化物涂层上的致密氧化铝涂层构成。热生长氧化物涂层作为氧化铝涂层与钢基体(优选含铬合金钢基体)的中间过渡层，起到调节热膨胀系数，增加氧化铝涂层附着力的作用。

在本发明的阻氢渗透复合涂层中，所述的钢基体为含铬合金钢。

在本发明的阻氢渗透复合涂层中，所述的原位热生长的氧化物涂层为原位热生长的含有氧化铬的的氧化物涂层。

一种制备本发明的阻氢渗透复合涂层的方法，在钢基体原位热生长的氧化物涂层，所述的氧化物涂层是在10^-15-10^-20Pa氧分压和700-1000℃条件下，经过0.5-20小时氧化在钢基体表面原位生长而成；并在原位热生长的氧化物涂层表面上直接沉积氧化铝涂层。

在本发明的制备阻氢渗透复合涂层的方法中，所述的钢基体为含铬合金钢，所述的原位热生长的氧化物涂层为含有氧化铬的氧化物涂层。

在本发明的制备阻氢渗透复合涂层的方法中，所述的氧化铝涂层是由反应磁控溅射、等离子喷涂、化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积和溶胶凝胶法等方法中的一种或多种而直接沉积在热生长氧化物涂层表面上。