专利名称：：一种氧化铒阻氢涂层及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种阻氢涂层及其制备方法，特别是含有Er203的阻氢涂层及其制备方法。
背景技术：
：阻氢涂层材料通常应用于热核实验反应堆中，其作用是防氖渗透，例如保证液态包层系统中环境和冷却剂中的安全氚水平，防止氚从增殖剂中向冷却剂中、从管道中向环境中渗透。其结构通常包括基体和涂层材料等部分。针对阻氢及氢同位素涂层材料的设计要求，需要在如下几个方面满足系统运行需要良好的绝缘电阻率、良好的阻氢性能以及涂层材料本身与基体之间的良好热膨胀匹配，从而在经历冷热循环的条件下，使得涂层具有良好的可靠性。目前常用的基体材料是低活性马氏体钢，在其上制备的阻氢涂层材料中，Er203是一种比较理想的体系，在聚变堆液态包层等方面具有良好的应用前景。现有技术在制备Er203涂层时，采用的是在经过氧化热处理的Fe-Al过渡层上制备。这种方法的好处是已经证实Fe-Al层本身是一种良好的韧性过渡层，与基体材料有良好的结合性能，同时经适当工艺热处理后表面可以形成Ah03。八1203也是一种良好的阻氢材料，在上面制备Er203可以保证良好的阻氢性能。但不利的方面是Er203生长在Al203上，这两种材料间没有类似Fe-Al层这样起到缓冲作用的过渡层以增加结合力、降低应力。
发明内容为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种比较简单的制备Er203阻氢涂层及其制备方法，其可在钢基体与Er203涂层之间形成具有良好缓冲作用的应力释放区。本发明的内容包括一种氧化铒阻氢涂层，其包括依次布设的基体、Fe-Er金属过渡层和Er203涂层。本发明的上述氧化铒阻氢涂层，其中该基体可以是低活化马氏体钢或奥氏体钢。本发明的上述氧化铒阻氢涂层，其中该低活化马氏体钢可以是EuroFER97'、CLAM。本发明的上述氧化铒阻氢涂层，其中该Fe-Er金属过渡层可以是具有面心立方结构的ErFe2或Er6Fe23合金。本发明的上述氧化铒阻氢涂层，其中该Fe-Er金属过渡层和Er203涂层总厚度不超过15pm。另一方面，本发明还提供上述氧化铒阻氢涂层的制备方法，其步骤包括:1.基体上以气相沉积法制备Fe-Er金属过渡层；2.该金属过渡层上以气相沉积法制备组成Ef203涂层。本发明的上述氧化铒阻氢涂层的制备方法，其中该气相沉积法可以是物理气相沉积法或化学气相沉积法。本发明的上述氧化铒阻氢涂层的制备方法，其中该制备Fe-Er金属过渡层的步骤可包括如下步骤以ErFe2或Er6Fe23靶为溅射制备靶材；先预抽真空至l(T5~l(T3Pa;然后通入Ar气进行直流溅射，溅射电流为0.2-2A，溅射气压为0.1Pa30Pa，加热温度为300600°C，耙基距30-80mm。本发明的上述氧化铒阻氢涂层的制备方法，其中该制备Fe-Er金属过渡层的步骤也可包括如下步骤以ErFe2或Er6Fe23靶为溅射制备靶材；先预抽真空至l(T5~l(T3Pa;然后通入Ar气进行射频溅射，射频功率为50-400W,溅射气压为0.1Pa-30Pa，加热温度为300-600°C，靶基距30-80mm。本发明的上述氧化铒阻氢涂层的制备方法，其中该制备El"203涂层的步骤可包括如下步骤先预抽真空至10—5~l(T3Pa;然后通入Ar和02混合气体进行直流溅射，Ar/02气压比为1-50，溅射电流为0.2-2A，溅射气压为0.1Pa-30Pa，加热温度为300-600°C，耙基距30-80mm。本发明的上述氧化铒阻氢涂层的制备方法，其中该制备Ef203涂层的步骤也可包括如下步骤先预抽真空至10—510—3Pa;然后通入Ar和02混合气体进行射频溅射，Ar/02气压比为1-50，射频功率为50-400W;溅射气压为0.1Pa-30Pa，加热温度为300-600°C，耙基距30-80mm。本发明的有益效果在于由于过渡层成分是Fe-Er合金，含有基体和涂层两种基本元素，因此，在钢基体与Er203涂层之间形成了具有良好缓冲作用的应力释放区。同时即使过渡层表面在后续制备El"203涂层的过程中发生氧化，也会因与涂层材料成分相同而紧密结合。选择的过度层成分是具有面心立方的韧性组织，在经历多次冷热循环以后也不容易造成涂层脱落，具有良好的可靠性。同时由于去除了传统方法中制备Fe-Al/Al203的步骤，使得结构和工艺更简单，也去除了可能影响可靠性的不利因素。图l所示为实施例2制备的氧化铒阻氢涂层结构示意图。图2所示为实施例2制备的氧化铒阻氢涂层放大2000倍的金相照片。具体实施例方式本发明的氧化铒阻氢涂层分为基体、金属过渡层以及Er203涂层三个部分。其中基体材料是低活化的马氏体钢材料或奥氏体钢材料，这两种材料可在高中子辐照条件下无辐射肿胀和辐射损伤，保持结构的强度。由于基体材料是钢，因此与氧化物涂层之间在热膨胀系数上有较大差别，直接在上面制备涂层材料容易引起较大的层间热应力，影响可靠性；一般需要引入金属过渡层来对基体和涂层之间进行匹配缓冲。考虑到与两方的相容性，过渡层选用FeEr合金材料。其制备工艺可选用常规的化学气相沉积技术，也可采用物理气相沉积技术，在本发明的一个实施方案中采用了物理气相沉积技术中的射频磁控溅射方法。制备Er203涂层可采用化学气相沉积技术，也可采用物理气相沉积技术。化学气相沉积方法的一种实施方案包括使用化学气相沉积设备，向反应室内通以400600。CEr盐蒸汽，Er盐为金属有机盐，如Er-(tmhd)3。同时通入混合气体CVH2/Ar(其中H2占总气压的60-90%,Ar气占总气压的0.2-2%，其余为02和Er盐蒸气)，混合气体与Er盐蒸气压比约为140。在600800°C,于化学气相沉积设备反应室内进行蒸镀，腔体总压为20600Pa。本发明的另一个实施方案中采用了物理气相沉积技术中的反应射频磁控溅射方法。下面结合具体的实施例进行说明实施例1射频磁控溅射方法制备金属过渡层以射频磁控溅射的方法制备金属过渡层。首先以CLAM为基体。采用直径68mm的ErFe2靶，以机械泵、分子泵顺序抽真空室真空至2.0Xl(T4Pa。然后通入20sccm的Ar气，调整溅射气压至0.5Pa，以射频功率100W进行溅射，溅射时的靶基距为55mm;在基体温度加热至300°C时，经50分钟溅射获得约lpm的ErFe2过渡层。实施例2反应射频磁控溅射制备Er203涂层采用纯Er靶，利用反应射频磁控溅射在制备好ErFe2过渡层的基体上制备Er203涂层。采用直径68mm的Er靶，以机械泵、分子泵顺序抽真空室真空至2.0Xl(T4Pa。然后通入20sccm的Ar气和2sccm02的混合气体进行反应溅射；调整溅射气压至0.2Pa,以射频功率150W进行溅射，溅射时靶基距为55mm，基体加热温度500QC，经5小时溅射获得约3|im的Er203涂层。制备的阻氢涂层结构如图1所示。其中1是基体材料；2是基础材料上制备的金属过渡层，本例中为厚lnm的ErFe2层；3是Er203涂层，厚度为3ym。实施例3测量氧化铒阻氢涂层的电阻率在室温下将实施例2所制备样品的表面和钢基体作为两极，施加不同的直流电压，测量对应的微电流，以电压/电流的比值测得绝缘电阻，并计算样品的厚度和截面积，换算出绝缘电阻率。测得Er203涂层的绝缘电压和电流的关系如表1所示。测量电极面积0.314cm2，经换算120V电压下其绝缘电阻率为5.02X1013Qcm，可见所制备的Er203阻氢涂层具有高绝缘电阻率。表i<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>实施例4以扫描电子显微镜观察实施例2所制备样品的表面形貌，如附图2所示。可见在依照本发明的方法制备的Ef203涂层具有非常优异的细晶化特征，其晶粒尺寸远小于lpm。并且具有良好的表面均匀性和致密性，适宜作为优良的阻氢涂层材料。权利要求1.一种氧化铒阻氢涂层，其包括依次布设的基体、Fe-Er金属过渡层和Er2O3涂层。2.根据权利要求1所述的氧化铒阻氢涂层，其中所述基体为低活化马氏体钢或奥氏体钢。3.根据权利要求2所述的氧化與阻氢涂层，其中所述低活化马氏体钢为EuroFER97,、CLAM。4.根据权利要求l所述的氧化铒阻氢涂层，其中所述Fe-Er金属过渡层为具有面心立方结构的ErFe2或Er6Fe23合金。5.根据权利要求l所述的氧化铒阻氢涂层，其中所述Fe-Er金属过渡层和Er203涂层总厚度不超过15pm。6.根据权利要求1所述的氧化铒阻氢涂层的制备方法，其步骤包括一、在基体上以气相沉积法制备Fe-Er金属过渡层；二、在该金属过渡层上以气相沉积法制备Ef203涂层。7.根据权利要求6所述的氧化铒阻氢涂层的制备方法，其中所述气相沉积法为物理气相沉积法或化学气相沉积法。8.根据权利要求6所述的氧化铒阻氢涂层的制备方法，其中所述制备Fe-Er金属过渡层的步骤包括以ErFe2或Er6Fe23靶为溅射制备靶材；先预抽真空至l(T5~10—3Pa;然后通入Ar气进行直流溅射，溅射电流为0.2-2A,溅射气压为0.1Pa-30Pa，加热温度为300-600°C，靶基距30-80mm。9.根据权利要求6所述的氧化铒阻氢涂层的制备方法，其中所述制备Fe-Er金属过渡层的步骤包括以ErFe2或Er6Fe23靶为溅射制备靶材；先预抽真空至l(T5~l(r3Pa;然后通入Ar气进行射频溅射，射频功率为50-400W，溅射气压为0.1Pa-30Pa，加热温度为300-600°C,靶基距30-80mm。10.根据权利要求6所述的氧化铒阻氢涂层的制备方法，其中所述制备Ef203涂层的步骤包括先预抽真空至l(T5~l(T3Pa;然后通入Ar和02混合气体进行直流溅射，Ar/02气压比为1-50，溅射电流为0.2-2A，溅射气压为0.1Pa-30Pa，加热温度为300-600°C，革巴基距30誦80mm。11.根据权利要求6所述的氧化铒阻氢涂层的制备方法，其中所述制备Er203涂层的步骤包括先预抽真空至10—5~l(r3Pa;然后通入Ar和02混合气体进行射频溅射，Ar/Cb气压比为1-50，射频功率为50-400W;溅射气压为0.1Pa-30Pa，加热温度为300誦600。C，耙基距30誦80mm。全文摘要本发明涉及一种阻氢涂层体系及其制备方法，特别是含有Er<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的阻氢涂层体系及其制备方法。涂层以活化马氏体钢或奥氏体钢为基体，在基体上以Fe-Er为金属过渡层，其上涂覆有Er<sub>2</sub>O<sub>3</sub>涂层。其制备方法包括在基体上以气相沉积法制备Fe-Er合金，其后在该金属过渡层上以气相沉积法制备Er<sub>2</sub>O<sub>3</sub>层。文档编号C23C14/16GK101469399SQ200710304408公开日2009年7月1日申请日期2007年12月27日优先权日2007年12月27日发明者古宏伟,新巨,弢李,杨旭东,梅汤申请人:北京有色金属研究总院