专利名称：一种钢基体表面氧化铝涂层的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种钢基体表面的氧化铝涂层制备方法，属于金属材料表面功能涂层制备技术领域。
背景技术：
氧化铝涂层具有耐高温、耐腐蚀、耐磨蚀等优点而广泛用于能源、化工等领域。在加速器驱动次临界系统(ADS)中由于利用液态铅铋合金(LBE)作为ADS系统的散裂靶兼冷却剂导致高温流动的LBE通过溶解、冲刷、侵蚀等一系列物理和化学过程对结构钢材进行腐蚀，最终影响结构材料性能，造成一定安全隐患。因此，实际运行的铅铋冷却反应堆系统必须解决LBE与结构材料相容性等关键科学和实际工程问题。对不同组分结构钢样品在LBE腐蚀机理的研究发现，在低温LBE中结构钢材腐蚀不明显，温度升高氧化腐蚀及溶解腐蚀加剧导致结构钢材失效。奥氏体钢与马氏体钢相比，由于含有更多的Ni而更容易被腐蚀。对于500°C以上运行的ADS系统，必须在结构材料表面进行涂层的保护。在不锈钢表面制备一层铝，通过铝的扩散在不锈钢表面造成一个含铝的浓度梯度，形成铝基金属间化合物层，表面形成Al2O3层。铝基金属间化合物层保证了涂层和不锈钢之间良好的附着性能·，表面的Al2O3层可以有效阻止阳离子和阴离子的扩散，即保证了长期运行同时又不会导致不锈钢的过度氧化。当这层氧化物受到破坏时，内部的阳离子会扩散到缺陷位置进行自修复。通过热浸铝、表面包裹铝箔、包埋共渗等方法在不锈钢表面制备不同厚度的铝，但研究发现涂层的耐腐蚀能力和制备方法及涂层中的铝含量密切相关。热浸铝制备的铝层往往较厚，甚至无法经受420°C LBE的腐蚀；对于马氏体钢，由于热浸铝制备的铝层中铝快速扩散进入不锈钢中导致出现100微米厚的互扩散层，因此，热浸铝加后续热处理工艺不适合马氏体钢。包裹铝箔形成的铝层可以经受600°C腐蚀，且铝的含量可以通过控制铝箔的厚度实现，但这种方法还不适合管内壁等复杂构件，而且这种工艺不适合马氏体不锈钢，因为热处理过程中的高温会导致铝很高的扩散系数。利用真空蒸发镀铝具有特有的优势。热蒸发法作为物理气相沉积(PhysicalVapor Deposition, PVD)中的一种,是一种能获得纳米至微米级薄膜且无污染的环保型表面薄膜制备方法，在不影响基体尺寸的情况下，提高表面强度、增强耐腐性和摩擦磨损等性能。近年来，PVD技术已广泛应用于航空航天、汽车、化工、能源和生物工程等领域制备功能涂层。将热蒸发技术用于氧化铝涂层的制备具有以下优势:1)可以在不锈钢上得到致密的铝膜，在镀膜过程中铝膜通过扩散附着在基底上成膜，有利于后处理过程中铝向不锈钢的扩散，同时最外层的氧化铝膜与基底之间结合力强；2)蒸镀过程中铝膜的厚度可以通过晶控仪精确控制，这有助于优化过渡层的厚度、铝的浓度以及最外层氧化铝的厚度，有望用于制备高质量LBE中的防腐蚀涂层
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足，提供一种钢基体表面氧化铝涂层的制备方法，其目的是在保证涂层致密度和结合强度的前提下，控制涂层中的铝含量，实现优良的抗腐蚀性能。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:1、一种钢基体表面氧化铝涂层的制备方法，其特征在于实现步骤如下:( I)对钢基体工件进行表面清洁处理后，放入热蒸发腔中，采用真空蒸发在钢基体表面制备一层均匀致密、与钢基体结合良好的铝镀层；(2)将镀铝后的钢基体工件放入保护气氛中热处理，通过铝镀层与钢基体的互扩散使表面晶化的氧化铝涂层与钢基体之间产生中间层。通过热冲击实验表明涂层具有良好的附着性能。所述步骤(I)的真空蒸发腔的真空度为10_4-10_3Pa。所述步骤(2)中的热处理温度为700-800oC，热处理气氛为氮气或者氩气，热处理时间为2-5小时，以保证涂层中铝的重量百分比不超过15%。所述步骤(2)中氧化铝层的厚度根据涂层性能要求在2-20微米范围内可调，同时在氧化铝和钢基体之间存在1-5微米的中间层以实现涂层具有良好的附着性能；所述铝镀层的厚度通过晶控仪精确控制，有助于优化过渡层的厚度、铝的浓度以及最外层氧化铝的厚度。所述步骤(I)中的钢基体为所有钢基材料，包括不同工业行业常用的奥氏体钢316，316L及核能系统使用的低活化铁素体/马氏体钢和T91钢。本发明与现有技术相比具有以下优点:
(I)本发明利用热蒸发方法在结构钢材表面沉积铝镀层，其厚度可以通过晶控仪精确控制，这有助于优化中间层的厚度、铝的浓度以及最外层氧化铝的厚度。同时，涂层致密无孔洞，厚度可调且均匀一致，克服了热浸铝等方法对镀层厚度和均匀性难以控制的缺点。(2)通过保护气氛热处理，不仅在氧化铝涂层和钢基体间形成了致密的中间层，而且避免了钢基体的过度氧化。中间层有效提高了涂层的抗热震和抗冲击性能，而且克服了传统涂层易开裂、易剥落等问题。(3)工艺稳定可靠，无废气废渣产生，不污染环境。(4)基于本发明所述的钢基材料表面的氧化铝涂层制备方法的广泛适用性以及优异的涂层性能表现，可以很好地解决ADS核能系统对结构钢材耐腐蚀、耐磨损等难题，且还可用在能源、化工等工业领域。
图1为本发明的工艺流程图；图2为本发明制备的涂层结构示意图，其中I为钢基体材料，2为中间层，3为氧化
铝层；图3为316上氧化铝涂层氮气中热处理后表面的EDS结果；图4为316上氧化铝涂层在550°C的液态铅铋中腐蚀1000小时后截面SEM照片及EDS线扫描结果，其中左边是涂层断面的SEM照片，右边是涂层断面的EDS线扫描结果。
具体实施例方式以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步的详述。实施实例I将马氏体钢T91、奥氏体不锈钢316、316L等结构钢材表面经过400，600, 800, 1000
目砂纸打磨后，先后放入乙醇和丙酮的溶液中超声清洗5-10分钟后，取出吹干。将清洗干净的钢材放入热蒸发设备中的衬底支架上，待真空达到2X 10_3Pa后开始沉积单质铝层。将一定量的铝丝放入钨坩埚，钢材与坩埚的距离为30厘米。缓慢提高电流至200安培后开始热蒸发过程，待铝丝全部蒸发完后，将电流降为零。在真空腔中通入氮气，打开真空腔，取出表面覆盖了铝镀层的钢材，铝镀层的厚度为3微米。将表面为单质铝的结构钢材放入气氛炉中，通入高纯氮气，同时缓慢升温至700°C，保温2小时后，在氮气气氛保护下冷却至室温取出。实施实例2将马氏体钢T91、奥氏体不锈钢316、316L等结构钢材表面经过400，600, 800, 1000
目砂纸打磨后，先后放入乙醇和丙酮的溶液中超声清洗5-10分钟后，取出吹干。将清洗干净的钢材放入热蒸发设备中的衬底支架上，待真空达到2X 10_3Pa后开始沉积单质铝层。将一定量的铝丝放入钨坩埚，钢材与坩埚的距离为30厘米。缓慢提高电流至200安培后开始热蒸发过程，待铝丝全部蒸发完后，将电流降为零。在真空腔中通入氮气，打开真空腔，取出表面覆盖了铝镀层的钢材，铝镀层的厚度为7微米。将表面为单质铝的结构钢材放入气氛炉中，通入高纯氮气，同时缓慢升温至750°C，保温2小时后，在氮气气氛保护下冷却至室温取出。
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实施实例3将马氏体钢T91、奥氏体不锈钢316、316L等结构钢材表面经过400，600, 800, 1000
目砂纸打磨后，先后放入乙醇和丙酮的溶液中超声清洗5-10分钟后，取出吹干。将清洗干净的钢材放入热蒸发设备中的衬底支架上，待真空达到2X 10_3Pa后开始沉积单质铝层。将一定量的铝丝放入钨坩埚，钢材与坩埚的距离为30厘米。缓慢提高电流至200安培后开始热蒸发过程，待铝丝全部蒸发完后，将电流降为零。在真空腔中通入氮气，打开真空腔，取出表面覆盖了铝镀层的钢材，铝镀层的厚度为10微米。将表面为单质铝的结构钢材放入气氛炉中，通入高纯氩气，同时缓慢升温至800°C，保温2小时后，在氮气气氛保护下冷却至室温取出。用扫描电镜对涂层的表面、截面形貌、涂层与基体材料的结合进行分析；采用能量色散谱EDS分析涂层表面、截面的成分；采用金相显微镜观察涂层的孔隙率；通过热冲击实验测试涂层的附着性能。结果表明:涂层致密，表面和截面无明显的孔隙和微裂纹；涂层由铝-铁-氧三种元素成分构成，涂层表面为氧化铝，其中铝的重量含量在13-15%之间，如图3所示。涂层与基体的结合良好，结合面无明显的孔隙出现。将涂层样品放入550°C的液态铅铋中腐蚀1000小时来考核涂层的抗腐蚀性能。腐蚀结束后利用1:1:1的乙醇:双氧水:乙酸混合液除去表面残留的铅铋，对腐蚀后的样品同样采用扫描电镜、EDS、金相显微镜测试其组分、形貌及涂层与钢基体的结合情况，结果发现利用热蒸发法制备的氧化铝涂层具有良好的抗高温液态铅铋腐蚀性能，如图4所示。
需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。以上所述，仅为本发明部分具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员 在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种钢基体表面氧化铝涂层的制备方法，其特征在于实现步骤如下: (1)对钢基体工件进行表面清洁处理后，放入热蒸发腔中，采用真空蒸发在钢基体表面制备一层均匀致密、与钢基体结合良好的铝镀层；所述真空蒸发腔的真空度为KT4-1O-3Pa ； (2)将镀铝后的钢基体工件放入保护气氛中热处理，通过铝镀层与钢基体的互扩散使表面晶化的氧化铝涂层与钢基体之间产生中间层，实现涂层良好的附着性能；所述热处理温度为700-800° C，热处理气氛为氮气或者氩气，热处理时间为2-5小时，以保证涂层中铝的重量百分比不超过15%;所述氧化铝层的厚度根据涂层性能要求在2-20微米范围内可调，同时在氧化铝和钢基体之间存在1-5微米的中间层以实现涂层具有良好的附着性能。
2.根据权利要求1所述的钢基体表面氧化铝涂层的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中铝镀层的厚度通过晶控仪精确控制。
3.根据权利要求1所述的钢基体表面氧化铝涂层的制备方法，其特征在于:所述步骤 (I)中的钢基体为所有钢基材料，包括不同工业行业常用的奥氏体钢316，316L及核能系统使用的低活化铁素体/马氏体钢和T91钢。
全文摘要
本发明公开了一种钢基体表面氧化铝涂层的制备方法，其特征是利用热蒸发方法在结构钢材表面沉积一层厚度的铝镀层，然后通过保护气氛后退火获得氧化铝涂层。本发明的主要优势在于热蒸发法制备的涂层厚度可控，致密、孔隙率低、与钢基体的结合强度好，具有良好的抗腐蚀性能，是一种能够满足ADS中结构钢材表面的防腐蚀要求的优良防护涂层。
文档编号C23C14/24GK103114267SQ20131004810
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月6日 优先权日2013年2月6日
发明者董伟伟, 周曙, 方晓东, 邓赞红, 邵景珍 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院