一种氧化锆和氧化铝梯度复合涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氧化锆和氧化铝梯度复合涂层及其制备方法，该复合涂层可应用于涉氢领域中钢结构件的氢渗透阻挡涂层，也可应用于钢结构件的耐磨、耐蚀涂层。
【背景技术】
[0002]阻氢渗透涂层是对结构部件的氢渗透起降低和阻挡作用的一类涂层材料，是涉氢及氢同位素应用领域的关键材料。早在上世纪七十年代，苏联就已开展阻氢涂层SCB玻璃涂层的研究和开发，应用于TOPAZ空间堆堆容器壁的阻氢渗透。SCB玻璃具备较好的阻氢性能，但S12在300°C下会与氢发生反应造成玻璃的脆化和破裂，使其在阻氢涂层方面的应用受到限制。1991年，Forcey等首次提出采用Al/Fe层作为聚变堆结构材料表面阻氚涂层，他们的研究工作证实了 Al/Fe层作为阻氚涂层的应用潜力，涂层渗透阻挡因子高达3-4个数量级。
[0003]近些年来，研究者对新型阻氢渗透涂层材料开展了大量研究，例如TiC、SiC、Si02、Cr2O3> A1203、Y2O3> Er2O3> ZrO2等。其中，A1203、ZrO2由于其优异的阻氢渗透、高温稳定性、化学稳定性、耐磨性能，作为阻氢渗透涂层材料受到了广泛的研究关注。此外，除了单一的涂层材料外，复合涂层研究也在近些年开展起来。与单一涂层相比，复合涂层与基体间的物理、化学匹配性能更加优异，氢渗透阻挡、膜基结合力和热循环性能都有进一步提高。CN101469409A公布了一种比例可调的氧化铝/氧化铒复合结构阻氢渗透涂层，结合了氧化铝的高阻氢渗透与氧化铒结构稳定的优点，复合涂层经室温至500°C多次冷热循环，涂层无开裂和剥落现象发生。CN101629028A公布了一种金属与氧化铝交替沉积的复合涂层，通过金属层的加入提高复合涂层的结合力，该复合涂层具有优异的耐高温、耐氧化性能。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种氧化锆/氧化铝梯度复合涂层，为提高钢结构件的阻氢渗透性能，本发明提出在钢基体上制备梯度复合涂层，利用氧化锆、氧化铝热膨胀系数的差异实现钢基体与梯度复合涂层的热物理匹配(氧化锆热膨胀系数11 X KT6IT1,氧化铝5-6X 10-?-1),从而提高涂层的整体热循环使用性能。该梯度复合涂层结合了氧化锆层与氧化铝层的阻氢渗透性能，涂层具有阻氢渗透性能、热循环使用性能优异的特点。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种氧化锆和氧化铝梯度复合涂层，包括多层(两层以上)由不同质量百分比的氧化锆和氧化铝组成的复合层，即多个复合层中，氧化锆和氧化铝的质量百分含量各不相同，所述的氧化锆和氧化铝组成的复合层布设在钢基底上。
[0007]所述的氧化锆和氧化铝梯度复合涂层，可由多层氧化锆和氧化铝质量百分比渐变的复合层构成，即可由多层X值渐变的(100%-x) ZrO2-XAl2O3复合层构成，其中x为Al2O3的质量百分比，O ( X ( 100% ;多层氧化锆和氧化铝质量百分比渐变的复合层中，X值顺序递减或递增；梯度复合涂层的厚度为< 2微米。
[0008]所述氧化锆为单一的氧化锆，也可以是氧化物稳定氧化锆，氧化物选自氧化钙、氧化镁、氧化钇、氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钦、氧化铒、氧化铥、氧化镱、氧化镥中的一种或两种以上的组合。所述氧化物稳定氧化锆中，氧化物的含量为4_25wt%。
[0009]所述的钢基底为304、304L、316、316L、410、416、430、431、630 不锈钢中的一种。
[0010]本发明还提供了上述氧化锆和氧化铝梯度复合涂层的制备方法。
[0011]一种氧化锆和氧化铝梯度复合涂层的制备方法，采用金属有机物化学气相沉积法或采用反应磁控共溅射方法制备。
[0012]采用金属有机物化学气相沉积法，在钢基底上沉积氧化锆/氧化铝梯度复合涂层，包括如下步骤:钢基底经过丙酮、酒精和去离子水超声清洗后，放入反应室；以乙酰丙酮锆和乙酰丙酮铝为金属前驱体，采用Ar作为载气，O2作为反应气体；通过改变乙酰丙酮锆和乙酰丙酮铝的挥发温度以及Ar载气流量，调节沉积复合涂层中氧化锆和氧化铝的组成比例。如，乙酰丙酮锆的挥发温度为150?180°C，通过乙酰丙酮锆的Ar载气流量为10?30SCCm;乙酰丙酮铝的挥发温度为120?125°C，通过乙酰丙酮铝的Ar载气流量为10?30sccm ；02流量10?20sccm，沉积温度为500?600°C，沉积时间为0.5?2小时，反应室压强为1200?1600Pa。
[0013]采用的反应磁控共溅射方法包括直流磁控溅射、中频磁控溅射和射频磁控溅射方法。采用反应磁控共溅射方法，在钢基底上沉积氧化锆/氧化铝梯度复合涂层，包括如下步骤:采用金属锆(或采用锆/钙合金、锆/镁合金、锆/钇合金、锆/镧合金、锆/铈合金、锆/镨合金、错/钕合金、错/钷合金、错/衫合金、错/铕合金、错/礼合金、错/铺合金、错/镝合金、错/钦合金、错/铒合金、错/钱合金、错/镱合金或错/镥合金)，金属招为I巴材，分别采用独立的直流、中频和/或射频电源供电，Ar作为起辉气体，O2作为反应气体；钢基底经过丙酮、酒精和去离子水超声清洗后，放入真空腔体，当背底真空优于8X10_3Pa后，在溅射室中用Ar等离子体轰击清洗15分钟；控制Ar/02=20/l?2/1 (流量比)，总压0.1?4Pa，靶-基距40?100mm，基底偏压-40?-200V ;通过调整锆靶和铝靶的溅射功率和沉积时间获得不同组成比例的多层梯度复合涂层。如，在锆靶和铝靶的溅射功率分别为50?15000ff,50?15000W的条件下沉积5?200min。
[0014]本发明的氧化锆/氧化铝梯度复合涂层，包括钢基体以及其上的氧化锆/氧化铝梯度复合涂层。与现有技术相比，本发明的氧化锆/氧化铝复合梯度涂层的优点在于结合了氧化锆和氧化铝的阻氢渗透特性，同时，通过调节复合涂层中氧化锆和氧化铝组成比例，可以改变复合涂层的热膨胀系数，改善复合涂层与基体之间的热物理匹配性能，从而改善复合涂层的热循环使用性能。
【具体实施方式】
[0015]本发明结合下列实施例进一步说明，但本发明不局限于下面实施例。
[0016]实施例一
[0017]在316不锈钢上沉积氧化锆/氧化铝梯度复合涂层，采用金属有机物化学气相沉积。316不锈钢经过丙酮，酒精和去离子水超声清洗后，放入反应室。以乙酰丙酮锆和乙酰丙酮铝为金属前驱体，采用Ar作为载气，O2作为反应气体。乙酰丙酮锆的挥发温度为180°C，通过乙酰丙酮锆的Ar载气流量为30sCCm。乙酰丙酮铝的挥发温度为120°C，通过乙酰丙酮铝的Ar载气流量为lOsccm。O2流量lOsccm，沉积温度为500°C，沉积时间为0.5小时，反应室压强为1200Pa。
[0018]通过改变乙酰丙酮锆和乙酰丙酮铝的挥发温度以及Ar载气流量，调节沉积复合涂层中氧化锆和氧化铝的组成比例。乙酰丙酮锆的挥发温度为150°C，通过乙酰丙酮锆的Ar载气流量为30sCCm。乙酰丙酮铝的挥发温度为125°C，通过乙酰丙酮铝的Ar载气流量为1sccm0沉积温度为500°C，沉积时间为0.5小时，反应室压强为1600Pa。
[0019]获得多层梯度氧化锆/氧化铝复合涂层的厚度为1.2微米，多层梯度复合涂层中氧化锆和氧化铝的含量由76wt%、24wt%过渡为37wt%、63wt%。对获得的多层梯度复合涂层式样进行氢渗透性能测试，600°C下复合