一种不锈钢基阻氢渗透复合涂层的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种不锈钢基阻氢渗透复合涂层。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基体表面原位氧化获得。所述氧化铝层直接沉积在氧化铬层和锰铬尖晶石层表面上。本发明制得的阻氢渗透复合涂层具有优异的阻氢渗透性能和热震性能，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。
【专利说明】一种不锈钢基阻氢渗透复合涂层
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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、Er203、ZrO2, A1203、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】
[0004]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。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]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。
[0007]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。
[0008]所述锰铬尖晶石由具有尖晶石结构的MnxCryO4氧化物构成，其中I≤x≤2，I≤y≤2，且2≤x+y≤3。
[0009]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 X KT6IT1和6.9 X KT6IT1,有利于获得热震性能优良的复合涂层。
[0010]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。
[0011]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0.5-5i!m，其中锰铬尖晶石层的厚度为0-0.5微米，且厚度古O。所述的氧化铝层的厚度为0.1-50 u Hi0
[0012]与现有技术相比，本发明的阻氢渗透复合涂层的优点是:
[0013]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。
[0014]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为阻氢渗透复合涂层的结构示意图。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]图4为实施例2中的阻氢渗透复合涂层的截面电子扫描电镜照片。
【具体实施方式】`
[0019]阻氢渗透复合涂层结构示意图如图1所示，在不锈钢基体I上有阻氢渗透复合涂层，该阻氢渗透复合涂层由自内至外由氧化铬层2，锰铬尖晶石层3和氧化铝涂层4复合而成。
[0020]本发明结合下列实施例和附图进一步说明，但本发明不局限于下面实施例。
[0021]实施例1
[0022]I) 304不锈钢片抛光、超声清洗处理并吹干；
[0023]2)将清洗吹干的样品置于石英管式气氛炉中，在氩气载水气氛下827°C氧化5h获得氧化铬层和锰铬尖晶石层。图2是304不锈钢表面氧化铬层和锰铬尖晶石层的截面形貌，其中I为304不锈钢，2为氧化铬层，3为锰铬尖晶石层。图3是304不锈钢表面氧化铬层和锰铬尖晶石层的X射线衍射图谱，涂层由氧化铬与锰铬尖晶石构成。
[0024]3)将样品置于石英管式气氛炉中采用金属有机物化学气相沉积方法沉积氧化铝涂层，沉积温度400°C，沉积时间4h。对获得的复合涂层式样进行了氢渗透性能测试，结果表明600°C下该复合涂层对304不锈钢的氢渗透降低因子为113-126，其氢渗透阻挡性能明显优于氧化铝涂层式样和氧化铬涂层。
[0025]实施例2
[0026]I) 316不锈钢片抛光、超声清洗处理并吹干；
[0027]2)将清洗吹干的样品置于石英管式气氛炉中，在氩气载水气氛下877°C氧化5h获得氧化铬层和锰铬尖晶石层。
[0028]3)将样品置于石英管式气氛炉中采用金属有机物化学气相沉积方法沉积氧化铝涂层，沉积温度400°C，沉积时间4h。图4为该阻氢渗透复合涂层的截面形貌，自内至外分别是316不锈钢基体I，氧化铬层2、锰铬尖晶石层3以及氧化铝层4。对获得的复合涂层式样进行了 700°C 30次热循环后的氢渗透性能测试，600°C下复合涂层对316不锈钢的氢渗透降低因子为107-132，热循环后的复合涂层的氢渗透降低因子为110-127，该结果优于氧化铝涂层，因此复合涂层具有优异的抗热震性能。
【权利要求】
1.一种不锈钢基阻氢渗透复合涂层，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的不锈钢基阻氢渗透复合涂层，其特征在于，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。
3.根据权利要求1和2所述的阻氢渗透复合涂层，其特征在于，所述锰铬尖晶石由具有尖晶石结构的MnxCryO4氧化物构成,其中1≤x≤2,1≤7≤2,且2≤x+y ( 3。
4.根据权利要求1所述的不锈钢基阻氢渗透复合涂层，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的不锈钢基阻氢渗透复合涂层，其特征在于，所述的不锈钢基体表面上的氧化铬层和锰铬尖晶石层的总厚度为0.5-5微米，其中锰铬尖晶石层的厚度为0-0.5微米，且厚度古O。
6.根据权利要求1所述的不锈钢基阻氢渗透复合涂层，其特征在于所述的氧化铝层的厚度为0.1-50微 米。
【文档编号】B32B15/18GK103802385SQ201210449522
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月12日 优先权日:2012年11月12日
【发明者】李帅, 刘晓鹏, 何迪, 于庆河, 王树茂, 蒋利军 申请人:北京有色金属研究总院