[发明专利]一种阻氢复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开一种阻氢复合涂层及其制备方法，所述涂层中外层微米TiN涂层为“阻氢层”，以阻隔氢原子的渗透；内层纳米TiC涂层为“储氢层”，以捕捉存储少量穿越“阻氢层”的氢原子，从而实现复合涂层的阻氢功能。本发明所述复合涂层中外层微米结构与内层的纳米结构的复合涂层结构设计，可以显著增强复合涂层的阻氢能力，且化学气相沉积法制备的复合涂层致密度高、缺陷少，涂层与不锈钢基体间结合力强，从而显著提高不锈钢材料的阻氢性能。

技术领域

本发明属于阻氢涂层技术领域，具体属于一种阻氢复合涂层及其制备方法。

背景技术

氢能具有无污染、来源广泛、热值高、可再生循环等优点，是未来最安全、洁净、高热值的氢气燃料，在核电、石油、化工、能源等工业方面有着非常重要的地位。因此，氢的制备、加工及储运对氢能产业化发展至关重要。不锈钢材料是目前主要的储氢系统材料，高压储氢是各种不同不锈钢储氢系统的主要方式。然而高压氢环境易导致不锈钢材料的塑性降低、疲劳裂纹扩展加速等一系列氢脆问题，是目前不锈钢高压氢系统安全面临的巨大挑战。

阻氢涂层是解决不锈钢储氢系统氢脆问题的有效方式。通过在金属材料表面制备阻氢涂层来阻止或延缓氢渗透进入材料，从而预防和减少氢脆现象的发生。目前已开发的阻氢涂层有以下几种：氧化铬、氧化锆等氧化物涂层；碳化硅、氮化硅等硅化物涂层；氮化钛、碳化钛等钛化物涂层；铁-铝合金等铝化物涂层。常用的阻氢涂层制备工艺包括气相沉积法、等离子喷涂法、包埋渗铝法、溶胶凝胶法、微弧氧化等。

研究表明，单层阻氢涂层的阻氢效果非常有限，设计具有阻氢层/储氢层复合结构的复合涂层具有更好的阻氢性能。然而，具有阻氢层/储氢层结构的复合涂层的阻氢性能往往受限于阻氢层与储氢层的晶粒尺寸大小、致密度、缺陷数量以及涂层与不锈钢基体材料结合力等因素，同时，等离子喷涂法、包埋渗铝法、溶胶凝胶法等制备方法存在涂层致密度低、缺陷多、颗粒尺寸分布不均等一系列问题，导致复合涂层的阻氢性能依然受限。

因此，针对当前不锈钢高压储氢系统面临的氢脆问题，本领域亟需开一种致密度高、缺陷少、具有良好阻氢/储氢复合功能的阻氢复合涂层，从而克服现有阻氢涂层致密度低、缺陷多、阻氢性能弱等缺点，提高不锈钢高压储氢系统安全性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种阻氢复合涂层及其制备方法，采用复合涂层结构设计，显著增强复合涂层的阻氢能力。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种阻氢复合涂层，所述复合涂层包括微米TiN外层和纳米TiC内层，所述微米TiN外层由微米级块状TiN晶粒组成，所述纳米TiC内层由纳米级锥状TiC晶粒组成。

进一步的，所述微米级块状TiN晶粒的粒径为1μm-3μm；所述锥状TiC晶粒的粒径为40nm-300nm，所述复合涂层的厚度为3-8μm。

本发明还提供一种阻氢复合涂层的制备方法，

S1提供一基材；

S2在碳源及钛源存在下，在辅助气体下采用化学气相沉积法在基材表面沉积TiC，得到纳米TiC内层；

S3在氮源及钛源存在下，在辅助气体下采用化学气相沉积法在TiC内层上沉积TiN，得到微米TiN外层，形成阻氢复合涂层。

进一步的，步骤S1中，所述基材表面粗糙度为0.05-0.2，所述基材预热至1000℃-1030℃，升温速率为5℃/min-8℃/min。

进一步的，步骤S2中，所述碳源的流量为600-1000sccm，所述碳源为甲烷、乙烷、乙炔和丙烯中至少一种。

进一步的，步骤S2中，以5℃/min-8℃/min的升温速率升温至1000℃-1030℃进行沉积，沉积时间为120min-540min。