一种具有耐500℃铅铋腐蚀的不锈钢及其制备方法与流程

本发明涉及一种不锈钢的表面防护处理工艺，具体涉及一种具有耐500℃铅铋腐蚀的不锈钢及其制备方法。

背景技术：

奥氏体不锈钢具有高温强度和耐腐蚀性能、辐照稳定性、与燃料的相容性、焊接性能好，并且价格便宜、易制造加工，被作为快堆包壳材料发展的重点。15-15Ti不锈钢(Cr、Ni含量15Cr-15Ni，也称D9合金)作为改进型的不锈钢，在316Ti基础上通过改善合金成分(降低Cr含量、提高Ni含量)，提高了其抗辐照肿胀性能，同时具有良好的高温强度和较好的耐腐蚀性能,其强度高、高温蠕变小、疲劳寿命长；导热性好、热膨胀小，它是中国铅基反应堆的主要候选包壳材料之一。然而15-15Ti不锈钢在500℃受Pb-Bi合金熔液冲蚀和耐腐蚀性能不高，作为包壳材料在反应堆中的安全性有待提高。

涂层技术是提高金属材料表面性能的有效手段之一，磁控溅射法作为一种重要的物理气相沉积技术，能实现在基底上快速和低温生长致密均匀的薄膜，并不影响基底的性能和尺寸稳定性。SiC材料具有很高的热稳定性、化学稳定性以及很高的硬度和耐磨性、同时具有很强的抗辐射能力和抗高温氧化性，可用于金属表面涂覆来作为氚渗透阻挡层。SiC材料用于15-15Ti不锈钢的表面涂层有一系列优点，如具有较高的硬度和高温强度、良好的导热性能、优越的耐腐蚀性能。同时SiC在辐照后具有较低的活化性能，因此可以有效保护核反应的稳定进行。到目前为止，国内外对于在15-15Ti不锈钢表面用SiC薄膜进行改性，以提高其在500℃铅铋合金中的耐腐蚀性能的研究尚未见报道。

技术实现要素：

本发明目的在于：提供了一种具有耐500℃铅铋腐蚀的不锈钢及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具有耐500℃铅铋腐蚀的不锈钢，在不锈钢基底的外表面由内向外依次附着有真空镀氧化铝薄膜和真空镀碳化硅薄膜。

优选地，所述的不锈钢基底选用15-15Ti不锈钢。

优选地，所述的真空镀氧化铝薄膜的厚度为3000-4000nm。

优选地，所述的真空镀碳化硅薄膜的厚度为300-600nm。

优选地，所述的具有耐500℃铅铋腐蚀的不锈钢的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)对不锈钢基底表面进行打磨、抛光、清洗；

(2)对步骤(1)处理后的不锈钢基底进行真空镀氧化铝；

(3)对镀氧化铝后的不锈钢基底继续进行真空镀碳化硅处理；

(4)将镀氧化铝和碳化硅后的不锈钢基底在850-950℃的氩气气氛中进行1.5-2.5小时退火处理。

优选地，所述步骤(1)是将不锈钢基底依次用不同型号的砂纸打磨，然后用金刚石研磨膏进行机械抛光，最后用丙酮和酒精分别超声清洗10-30min。

优选地，步骤(2)采用直流反应磁控溅射镀氧化铝，步骤(3)采用射频磁控溅射镀碳化硅。

优选地，所述步骤(2)的具体过程为：将步骤(1)处理后的不锈钢基底放入真空镀膜室中，当真空镀膜室内真空度达到2.0×10^-4Pa时，通入Ar作为溅射气体，气压0.5-0.8Pa，功率120-180W，预溅射10-15min后，然后通入O₂作为反应气体，进行0.5-1.5小时真空镀氧化铝。

优选地，所述步骤(3)的具体过程为：将镀有氧化铝的不锈钢基底放入真空镀膜室中，当真空镀膜室内真空度达到1.0×10^-4Pa时，通入Ar作为溅射气体，气压0.5-0.8Pa，功率120-180W，预溅射10-15min后，进行1-2小时真空镀碳化硅。

优选地，所述步骤(4)的具体过程为：将镀有氧化铝和碳化硅的不锈钢基底放入真空保护气氛管式加热炉中，通过机械泵对炉管抽真空后，通入Ar气，设定管式炉加热最高温度为850-950℃，保温1.5-2.5小时后降温，待管式炉冷却后取出样品即可。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在不锈钢基底(优选为15-15Ti不锈钢)上直流反应磁控溅射镀氧化铝后改变了镀层粗糙度，降低了镀膜层的内应力，再经射频磁控溅射镀碳化硅，膜基结合力强，镀Al₂O₃/SiC复合涂层后的15-15Ti不锈钢在铅铋合金熔液中的耐蚀性显著提高，用本发明制备而成的15-15Ti不锈钢制作的包壳管在铅基反应堆中的安全性得到提高，满足了目前市场要求。

附图说明

图1是未处理的15-15Ti不锈钢基底在王水腐蚀下的金相照片；

图2是实施例1制备而成的具有耐500℃铅铋腐蚀的不锈钢的横截面SEM形貌图，其中，由下而上分别是15-15Ti不锈钢基底、Al₂O₃薄膜、SiC薄膜；

图3是实施例1制备而成的具有耐500℃铅铋腐蚀的不锈钢的XRD图谱；

图4是腐蚀试验装置；

图5是未处理的15-15Ti不锈钢在500℃铅铋合金熔液中腐蚀500h得到的横截面SEM形貌；

图6是实施例1制备而成的具有耐500℃铅铋腐蚀的不锈钢在500℃铅铋合金熔液中腐蚀500h得到的横截面SEM形貌。

具体实施方式

实施例1

一种具有耐500℃铅铋腐蚀的不锈钢的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)将15-15Ti不锈钢依次用用400#、500#、600#、800#型号的砂纸打磨，然后用金刚石研磨膏进行机械抛光，最后用丙酮和酒精分别超声清洗10-20min。

(2)直流反应磁控溅射镀氧化铝：将步骤(1)处理后的15-15Ti不锈钢放入真空镀膜室中，采用高纯度金属铝靶材，当真空镀膜室内真空度达到2.0×10^-4Pa时，通入Ar(流量为14sccm)作为溅射气体，气压0.6Pa，功率120W，预溅射15min后，然后通入O₂(流量2sccm)作为反应气体，进行0.5小时真空镀氧化铝。

(3)射频磁控溅射镀碳化硅(交流电源的频率为13.56MHz)：将镀有氧化铝的15-15Ti不锈钢放入真空镀膜室中，采用高纯度碳化硅靶材，当真空镀膜室内真空度达到1.0×10^-4Pa时，通入Ar(流量为50sccm)作为溅射气体，气压0.6Pa，功率120W，预溅射15min后，进行1.5小时真空镀碳化硅。

(4)退火：将镀有氧化铝和碳化硅的15-15Ti不锈钢放入真空保护气氛管式加热炉中，通过机械泵对炉管抽真空后，通入Ar(流量为20sccm)，设定管式炉加热温度为850℃，保温1.5小时后降温，待管式炉冷却后取出样品即可。

实施例2

一种具有耐500℃铅铋腐蚀的不锈钢的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)将15-15Ti不锈钢依次用用400#、500#、600#、800#型号的砂纸打磨，然后用金刚石研磨膏进行机械抛光，最后用丙酮和酒精分别超声清洗10-20min。

(2)直流反应磁控溅射镀氧化铝：将步骤(1)处理后的15-15Ti不锈钢放入真空镀膜室中，采用高纯度金属铝靶材，当真空镀膜室内真空度达到2.0×10^-4Pa时，通入Ar(流量为15sccm)作为溅射气体，气压0.7Pa，功率125W，预溅射14min后，然后通入O₂(流量1.5sccm)作为反应气体，进行0.8小时真空镀氧化铝。

(3)射频磁控溅射镀碳化硅(交流电源的频率为13.56MHz)：将镀有氧化铝的15-15Ti不锈钢放入真空镀膜室中，采用高纯度碳化硅靶材，当真空镀膜室内真空度达到1.0×10^-4Pa时，通入Ar(流量为55sccm)作为溅射气体，气压0.7Pa，功率125W，预溅射14min后，进行1.4小时真空镀碳化硅。

(4)退火：将镀有氧化铝和碳化硅的15-15Ti不锈钢放入真空保护气氛管式加热炉中，通过机械泵对炉管抽真空后，通入Ar(流量为20sccm)，设定管式炉加热温度为900℃，保温1.8小时后降温，待管式炉冷却后取出样品即可。

实施例3

耐500℃铅铋合金腐蚀性能测试实验

采用中科院合肥物质研究院核安全研究所的铅铋合金熔液腐蚀装置，分别对未处理的15-15Ti不锈钢以及实施例1制备的产物进行耐500℃铅铋合金腐蚀性能测试，实验温度为500℃，铅铋熔液流速为0.1m/s，氧含量为1×10^-6wt％～3×10^-6wt％。自制的腐蚀试验装置如图4所示。

腐蚀500h得到的横截面SEM形貌如图5、6所示，由图5和图6比较可知，通过在15-15Ti不锈钢表面镀Al₂O₃/SiC复合涂层能够改善15-15Ti不锈钢的表面耐铅铋合金腐蚀性能，从图6可以看出：本发明制备而成的产物在500℃铅铋合金熔液中不发生氧化反应，钢表面无氧化层生成，提高了15-15Ti不锈钢的表面耐铅铋合金腐蚀性能。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。