[0034] 第（3)步，Cr-O成分梯度涂层制备
[0035] 在其它工艺参数保持不变的条件下，开始向真空室中充入02气，其递增速率为 5sccm/min，同时逐渐降低Ar气流量，使得真空室中工作气压仍然保持在0. 4Pa。当O2气与 Ar气的流量比达到1 : 7时，不再改变O2气与Ar的气流量。此时，制备出厚度为60nm的 Cr-O成分梯度涂层。
[0036] 第⑷步，Cr-Al-O成分梯度涂层制备
[0037] 当O2气与Ar气的流量比达到1 : 7后，立即将Cr靶的溅射功率由200W降低，递减 速率为15W/min，同时开启Al靶进行溅射，溅射功率由50W逐渐增加，递增速率为15W/min。 当Al把溅射功率达到200W时，关闭Cr靶工作电源，停止Cr靶溅射。获得厚度为120nm的 Cr-Al-O成分梯度涂层。
[0038] 第（5)步，Al-O成分梯度涂层制备
[0039] 在保持其它工艺参数不变的条件下，开始逐渐增加 O2气流量，其递增速率为 5sccm/min。同时，也逐渐降低Ar气流量使得真空室中工作气压保持在0. 4Pa。当O2气与 Ar气流量比达到I : 4后，不再改变O2气与Ar的气流量。获得厚度为50nm的Al-O成分 梯度涂层。
[0040] 第（6)步，Al2O3涂层制备
[0041] 当O2气与Ar气的流量比达到1 : 4后，保持其它工艺参数不变，通过控制沉积时 间来获得厚度为2000nm的Al2O3涂层。
[0042] 第（7)步，涂层退火处理
[0043] 将涂层放入退火炉大气氛围条件下进行退火处理，退火温度为500°C、升温速率为 20°C /min、保温30min、随炉冷却至室温取出。
[0044] 最终形成的涂层结构如图1所示，钢材基片1上依次包括Cr涂层2、Cr-O成分梯 度涂层3、Cr-Al-O成分梯度涂层4、Al-O成分梯度涂层5和Al2O3涂层6。
[0045] 各个涂层的Cr和Al成分如图2所示，是成梯度渐变的。
[0046] 对实施例1制备的涂层进行性能检测，包括以下测试工艺、指标及结果：
[0047] (1)采用WS-2005型涂层附着力自动划痕仪测试涂层/基材的界面结合情况。测 试参数为：划痕速率I. 5mm/min、加载速率5N/min至150N/min等。结果显示：双成分梯度 (Cr，Al) 0阻氢渗透涂层与304号不锈钢基材的界面结合力为39N。
[0048] (2)采用DX-2700型X射线衍射仪（XRD)测量涂层应力。测试参数为：管电压为 22kV，管电流为6mA，Cr靶K辐射，准直管直径(p=2mni，阶梯扫描步进角为〇. Γ，侧倾角φ 分别取0°、15°、35°和45°。结果显示：双成分梯度（Cr，Al)0阻氢渗透涂层的残余压应 力仅为9MPa。
[0049] (3)采用箱式电阻炉测试涂层的抗热冲击性能。测试工艺为：将涂层钢试样放入 炉中温度，700°C保温IOmin后取出空冷至室温，用光学显微镜观测冷却的涂层试样是否存 在表面涂层剥落现象。随后多次重复上述重复试验。以涂层剥落对应的重复试验次数评价 抗热冲击性能。结果表明：304号钢基材表面的双成分梯度（Cr，Al) 0阻氢渗透涂层的耐热 冲击次数为45次，性能表现良好。
[0050] (4)采用自制的氢渗透实验测试仪评价涂层的阻氢渗透性能。测试参数为：渗透 气体为4气，渗透温度为300°C，背底真空度彡5Xl(T 5Pa。结果显示：双成分梯度（Cr，Al) 0阻氢渗透涂层的阻氢渗透因子为310。
[0051] 实施例2
[0052] 本实施例采用QX-500型商用磁控溅射镀膜机在316号不锈钢的钢材基片表面制 备双成分梯度（Cr，A1)0阻氢渗透涂层。与实施例1相比，以下工艺条件存在差异：
[0053] 与实施例1中第（2)步不同的是，Cr涂层厚度为50nm。
[0054] 与实施例1中第（3)步不同的是，向真空室逐渐充入02气的递增速率为IOsccm/ min，获得Cr-O成分梯度涂层的厚度为20nm。
[0055] 除上述以外，其它工艺参数均相同。采用与实施例1中相同的涂层性能测试方法。 结果显示：本实施例形成的双成分梯度（Cr，Al)0阻氢渗透涂层与316号钢基材的界面附着 力为35N ;涂层的残余压应力为17MPa，涂层耐热冲击次数为41次；涂层的阻氢渗透因子为 300 〇
【主权项】
1. 双成分梯度阻氢渗透涂层，其特征在于，在钢材基片上依次包括以下涂层：Cr涂层、 Cr-O成分梯度涂层、Cr-Al-O成分梯度涂层、Al-O成分梯度涂层和Al2O3涂层。
2. 根据权利要求1所述的双成分梯度阻氢渗透涂层，其特征在于，涂层由以下方法制 备所得： 第（1)步，钢材基片表面抛光与清洗 将钢材基片进行表面研磨抛光、除油剂清洗、酸洗与去离子漂洗并吹气烘干；然后将钢 基片在磁控溅射镀膜机的真空室中进行等离子体偏压反溅清洗； 第⑵步，Cr涂层制备 将真空室抽至真空度< 5 X KT4Pa，向真空室通入Ar气作为工作气体，开启Cr靶溅射， 在钢基片表面沉积Cr涂层；Ar气流量为200sCCm，工作气压为0. 4Pa，Cr靶溅射功率为 200W，通过调控沉积时间制备厚度为50?200nm的Cr涂层； 第⑶步，Cr-O成分梯度涂层制备 在其它工艺参数保持不变的条件下，向真空室中逐渐充入〇2气，其递增速率为1? 10sccm/min，同时，逐渐降低Ar气流量，使得工作气压保持在0. 4Pa，当O2气与Ar气的流 量比达到1 : 7时，不再改变气流量；随着02与Ar的气流量比不断增加，涂层表面开始形 成Cr-O成分梯度涂层，涂层中O/Cr的含量比逐渐增加，Cr-O成分梯度涂层的厚度为20? IOOnm ； 第⑷步，Cr-Al-O成分梯度涂层制备 当O2气与Ar气的流量比达到1 : 7时，将Cr靶的溅射功率由200W降低，递减速率为 10?20W/min，同时开启Al靶进行溅射，溅射功率由50W逐渐增加，递增速率为10?20W/ min，当Al把溅射功率达到200W时，停止Cr靶溅射；涂层表面形成Cr-Al-O成分梯度涂层， 且由于Al靶与Cr靶的溅射功率比值不断增加，涂层中Al/Cr的含量比逐渐增加，Cr-Al-O 成分梯度涂层的厚度为50?200nm ; 第（5)步，Al-O成分梯度涂层制备 在保持其它工艺参数不变的条件下，继续逐渐增加 O2气流量，其递增速率为1? 5sccm/min，同时，逐渐降低Ar气流量，使得真空室中工作气压仍保持在0. 4Pa，当O2气与Ar 气流量比达到1 : 4后，不再改变O2气与Ar的气流量；随着O 2气与Ar气流量比的不断增 加，涂层表面开始形成Al-O成分梯度涂层，其中涂层中Ο/Al的含量比逐渐增加，Al-O成分 梯度涂层的厚度为50?200nm ; 第（6)步，Al2O3涂层制备 当O2气与Ar气的流量比达到1 : 4后，保持所有工艺参数不变，沉积具有匀质成分的 Al2O3涂层，制备厚度为500?2000nm的Al 203涂层； 第（7)步，涂层退火处理 将带有沉积涂层的钢材基片从真空室取出放入退火炉中，在大气氛围条件下进行退火 处理，退火温度为500°C，升温速率为20°C /min，保温30min，随炉冷却至室温取出。
3. 根据权利要求1或2所述的双成分梯度阻氢渗透涂层，其特征在于，所述的钢材基片 材料的Cr元素含量不小于7%。
【专利摘要】本发明涉及金属表面处理涂层及其制备方法，具体为双成分梯度阻氢渗透涂层及其制备方法，对钢材基片表面抛光与清洗后，依次进行Cr涂层制备、Cr-O成分梯度涂层制备、Cr-Al-O成分梯度涂层制备、Al-O成分梯度涂层制备、Al2O3涂层制备，以及涂层退火处理。发明提供的双成分梯度阻氢渗透涂层，为双成分梯度(Cr，Al)O阻氢渗透涂层，增加了成分梯度亚层，起到过渡层作用，增强过渡层与涂层、过渡层与钢材这两个界面，因此Al2O3涂层与梯度涂层的结合性能更加优异，同时由于双成分梯度设计涂层的成分连续变化，因此涂层的残余应力较小、涂层的抗热冲击性能十分优异，不易导致力学失效，涂层的阻氢渗透性能更好。
【IPC分类】C23C14-02, C23C14-34, C23C14-16, C23C14-06, C23C14-08
【公开号】CN104561891
【申请号】CN201510049859
【发明人】杨吉军, 朱海琳, 万强, 廖家莉, 杨远友, 刘宁
【申请人】四川大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月30日