[發明專利]一種基體表面的耐輻照防護涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201410168406.0
• 申請日: 2014-04-24
• 公開（公告）號: CN103924203A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 汪愛英;馮宗建;柯培玲;張棟;王振玉
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/58;C23C14/06
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 單英

技術領域

本發明屬于材料表面鍍膜技術領域，本發明涉及一種基體表面的耐輻照防護涂層及其制備方法。

背景技術

第四代核電具有經濟性高、安全性好、核廢料量小，并能防止核擴散等優點，是未來能源發展的重點。但在第四代核電系統中，反應堆核心部件仍面臨高溫(500-1000℃)、強腐蝕環境(熔融鹽、熔融金屬和超臨界水等)及強輻照(高能離子和高能中子)等苛刻條件。其中，強輻照將產生大量的移位原子損傷，從而改變材料的微觀結構和化學組成，導致材料發生嚴重的腫脹、脆化、偏析以及空洞等變化，材料的力學性能和高溫腐蝕性能也會隨之惡化。傳統不銹鋼、高溫合金和鋯合金等材料已難以滿足其耐輻照損傷的服役性能要求，因此，高性能耐輻照損傷核電結構材料的發展是第四代核電發展的關鍵因素之一，正日益受到重視。

為了得到高性能、耐輻照損傷的核電結構材料，目前一般采用在現有不銹鋼、高溫合金和鋯合金等第二、第三代核電反應堆核心部件廣泛應用的成熟材料表面施加耐蝕、耐輻照涂層的方法，該方法經濟、有效，但是如何選擇得到具有耐輻照的涂層材料，以及如何在基體表面制備該涂層材料是目前科技工作者的研究重點之一。

發明內容

本發明的技術目的是提供一種基體表面具有優良的耐輻照性能的防護涂層及其制備方法。

本發明人經過大量實驗探索后發現：當基體表面的防護涂層以Ti₂AlC相為主相結構時，該防護涂層具有優良的耐輻照性能，能夠有效防護基體免受輻照而性能降低。例如，在室溫下以強度為5～10dPa的Au離子對所述的防護涂層進行輻照，所述的防護涂層中的Ti₂AlC相保持穩定。

所述的基體不限，包括鈦合金、不銹鋼、鎳基高溫合金、高溫合金等。

所述的防護涂層中還可以包括其他雜相，例如Ti₃AlC雜相、TiC雜相等中的一種或兩種以上的組合。

當基體表面的防護涂層以Ti₂AlC相為主相結構時，如何制備該防護涂層是發明人需要解決的另一技術問題。

在現有技術中，MAX相材料，即M_n+1AX_n的縮寫，其中M是過渡金屬，A主要為III和IV族元素，X為C和N，是一類具有三元納米層狀晶體結構的高性能陶瓷。目前，MAX相防護涂層的制備技術主要有：化學氣相沉積法、物理氣相沉積法和固相反應法等。其中，化學氣相沉積法研究較早，但是該技術主要局限于Ti₃SiC₂體系，并且存在沉積溫度高、相純度難以控制等缺點。與化學氣相沉積法相比較，物理氣相沉積法的沉積溫度較低、工藝重復性好、能夠實現多種體系MAX相防護涂層的大面積制備；另外，MAX相材料中的某些亞穩相只有在類似于物理氣相沉積的非平衡狀態下才能合成，因此物理氣相沉積法能夠制備更多材料體系的MAX相防護涂層。然而，物理氣相沉積法仍然存在沉積速率低、防護涂層厚度小以及對基體材料要求苛刻等缺點，因此限制了MAX相防護涂層的工業化應用。

為了彌補物理氣相沉積法制備MAX相防護涂層的一些不足，近來研究人員提出了物理氣相沉積結合固相反應的方法，利用該方法在工程合金表面成功地制備了一些材料體系的微米級厚度的MAX相防護涂層。但是，目前利用該方法制備MAX相防護涂層時一般選用MAX相塊體材料作為靶材，但是制備該MAX相塊體靶材的工藝復雜并且成本很高。為此，有些研究者提出同時對不同的單質金屬靶材進行多靶濺射，但是這樣得到的MAX相防護涂層的成分、結構存在不均勻性及不可控性。

為此，本發明人創新性地嘗試采用成本相對低廉的TiAl合金作為靶材，碳氫氣體作為反應氣體，通過反應磁控濺射的方法在基體表面沉積Ti-Al-C防護涂層，經過大量實驗反復探索后發現：當同時結合真空熱處理使該Ti-Al-C防護涂層發生固相反應，則能夠成功地得到以Ti₂AlC相為主相結構的防護涂層，該防護涂層的成分及結構均勻并且易控制。該制備方法包括以下步驟：

選用TiAl合金作為靶材，碳氫氣體作為反應氣體，采用反應磁控濺射的方法在基體表面沉積Ti-Al-C防護涂層；然后，通過真空熱處理使Ti-Al-C防護涂層發生固相反應轉變為以Ti₂AlC?MAX相為主相的防護涂層。

作為優選，所述的Ti-Al-C防護涂層的厚度為1～20μm。

所述的TiAl合金靶中，Al原子百分比含量優選為30～60％。