[发明专利]一种不锈钢基阻氢渗透复合涂层

说明书

技术领域

本方法涉及一种不锈钢基阻氢渗透复合涂层，该复合涂层可广泛应用于涉氢领域中结构材料和器件的阻氢渗透涂层。

背景技术

涉氢的应用领域如氢的存储、使用过程中都存在氢扩散和渗透的问题。在太阳能热发电用集热管中，氢的渗透和析出富集会导致集热管热损失的增加，降低集热管的发电效率。在核聚变反应堆中，氚增殖包层中的不锈钢管路处于较高工作温度，其氚渗透率会显著升高，造成氚燃料的渗透和泄露，降低热核聚变堆的商业价值并且导致放射性污染。为了解决涉氢应用领域中氢渗透带来的问题，可以通过采用在结构材料表面制备渗透阻挡涂层的方法提高材料或器件的阻氢渗透性能。在各类涂层材料中，陶瓷具备氢渗透率低、热稳定性好、抗腐蚀性好和机械硬度高等优点，是阻氢渗透涂层的首选材料。

目前，已经开展研究的陶瓷阻氢渗透涂层材料主要有TiN、TiN/TiC、SiC、Er₂O₃、ZrO₂、Al₂O₃、Cr₂O₃等。其中，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[J.Nucl.Mater.328(2004)103]。此外，CN101469409A、CN101265603A、CN101845645A公布了采用不同方法制备的Al或Fe/Al合金层与氧化铝层复合的阻氢渗透涂层。此类阻氢渗透复合涂层对基体具有良好的结合性能，复合涂层对使用过程中可能形成的氧化铝层微裂纹还具有自我修复的能力，因此成为近些年来阻氢渗透涂层的研究热点之一。虽然Al或Fe/Al合金层与氧化铝阻氢渗透复合涂层有如上的优点，但Al或Fe/Al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。

发明内容

本发明的目的是提供一种不锈钢基体阻氢渗透复合涂层。该复合涂层结合了氧化铬层与氧化铝层的阻氢渗透性能，具有涂层制备工艺简单、阻氢渗透性能优异的特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种不锈钢阻氢渗透复合涂层，在不锈钢基体上有阻氢渗透复合涂层，该阻氢渗透复合涂层自内至外分别由不锈钢基体表面的氧化铬层、锰铬尖晶石层以及氧化铝层构成。

所述不锈钢基体表面的氧化铬层、锰铬尖晶石层由不锈钢原位氧化获得。

所述锰铬尖晶石由具有尖晶石结构的Mn_xCr_yO₄氧化物构成，其中1≤x≤2，1≤y≤2，且2≤x+y≤3。

氧化铬层的阻氢性能良好，不锈钢表面原位氧化获得氧化铬层的制备工艺简单、成熟。研究表明，不锈钢基体表面原位氧化获得氧化铬层成分并非单一的氧化铬，氧化层自内之外分别由致密的氧化铬层和锰铬尖晶石层构成[中国海洋大学学报，41(2011)267]。涂层的阻氢渗透性能由致密氧化铬层提供，氧化铬层的氢渗透降低因子为10-10²。因此，氧化铬层与氧化铝层复合的阻氢渗透涂层具备更优的阻氢渗透性能。此外，氧化铬与氧化铝的热膨胀系数匹配良好，分别为7.5×10^-6K^-1和6.9×10^-6K^-1，有利于获得热震性能优良的复合涂层。

所述的氧化铝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方法中的一种或多种而直接沉积在氧化铬层和锰铬尖晶石层表面上。

所述的不锈钢基体表面的氧化铬层和锰铬尖晶石层的总厚度为0.5-5μm，其中锰铬尖晶石层的厚度为0-0.5微米，且厚度≠0。所述的氧化铝层的厚度为0.1-50μm。

与现有技术相比，本发明的阻氢渗透复合涂层的优点是：

1.阻氢渗透复合涂层结合了氧化铬层和氧化铝层阻氢渗透特性，因此涂层的阻氢渗透性能较单独氧化铬层或氧化铝层更为优异。

2.氧化铬层和锰铬尖晶石层能够调节不锈钢基体与外层氧化铝涂层的热膨胀过程，提高外层氧化铝涂层与不锈钢基体的结合强度。

附图说明

图1为阻氢渗透复合涂层的结构示意图。

图2为实施例1中的不锈钢基体表面的氧化铬层和锰铬尖晶石层的截面电子扫描电镜照片。

图3为实施例1中的阻氢渗透复合涂层的X射线衍射图谱。