專利名稱：一種鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼基體表面的氧化鋁涂層制備方法，屬于金屬材料表面功能涂層制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化鋁涂層具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨蝕等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于能源、化工等領(lǐng)域。在加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(ADS)中由于利用液態(tài)鉛鉍合金(LBE)作為ADS系統(tǒng)的散裂靶兼冷卻劑導(dǎo)致高溫流動(dòng)的LBE通過(guò)溶解、沖刷、侵蝕等一系列物理和化學(xué)過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)鋼材進(jìn)行腐蝕，最終影響結(jié)構(gòu)材料性能，造成一定安全隱患。因此，實(shí)際運(yùn)行的鉛鉍冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)必須解決LBE與結(jié)構(gòu)材料相容性等關(guān)鍵科學(xué)和實(shí)際工程問(wèn)題。對(duì)不同組分結(jié)構(gòu)鋼樣品在LBE腐蝕機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，在低溫LBE中結(jié)構(gòu)鋼材腐蝕不明顯，溫度升高氧化腐蝕及溶解腐蝕加劇導(dǎo)致結(jié)構(gòu)鋼材失效。奧氏體鋼與馬氏體鋼相比，由于含有更多的Ni而更容易被腐蝕。對(duì)于500°C以上運(yùn)行的ADS系統(tǒng)，必須在結(jié)構(gòu)材料表面進(jìn)行涂層的保護(hù)。在不銹鋼表面制備一層鋁，通過(guò)鋁的擴(kuò)散在不銹鋼表面造成一個(gè)含鋁的濃度梯度，形成鋁基金屬間化合物層，表面形成Al2O3層。鋁基金屬間化合物層保證了涂層和不銹鋼之間良好的附著性能·，表面的Al2O3層可以有效阻止陽(yáng)離子和陰離子的擴(kuò)散，即保證了長(zhǎng)期運(yùn)行同時(shí)又不會(huì)導(dǎo)致不銹鋼的過(guò)度氧化。當(dāng)這層氧化物受到破壞時(shí)，內(nèi)部的陽(yáng)離子會(huì)擴(kuò)散到缺陷位置進(jìn)行自修復(fù)。通過(guò)熱浸鋁、表面包裹鋁箔、包埋共滲等方法在不銹鋼表面制備不同厚度的鋁，但研究發(fā)現(xiàn)涂層的耐腐蝕能力和制備方法及涂層中的鋁含量密切相關(guān)。熱浸鋁制備的鋁層往往較厚，甚至無(wú)法經(jīng)受420°C LBE的腐蝕；對(duì)于馬氏體鋼，由于熱浸鋁制備的鋁層中鋁快速擴(kuò)散進(jìn)入不銹鋼中導(dǎo)致出現(xiàn)100微米厚的互擴(kuò)散層，因此，熱浸鋁加后續(xù)熱處理工藝不適合馬氏體鋼。包裹鋁箔形成的鋁層可以經(jīng)受600°C腐蝕，且鋁的含量可以通過(guò)控制鋁箔的厚度實(shí)現(xiàn)，但這種方法還不適合管內(nèi)壁等復(fù)雜構(gòu)件，而且這種工藝不適合馬氏體不銹鋼，因?yàn)闊崽幚磉^(guò)程中的高溫會(huì)導(dǎo)致鋁很高的擴(kuò)散系數(shù)。利用真空蒸發(fā)鍍鋁具有特有的優(yōu)勢(shì)。熱蒸發(fā)法作為物理氣相沉積(PhysicalVapor Deposition, PVD)中的一種,是一種能獲得納米至微米級(jí)薄膜且無(wú)污染的環(huán)保型表面薄膜制備方法，在不影響基體尺寸的情況下，提高表面強(qiáng)度、增強(qiáng)耐腐性和摩擦磨損等性能。近年來(lái)，PVD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、化工、能源和生物工程等領(lǐng)域制備功能涂層。將熱蒸發(fā)技術(shù)用于氧化鋁涂層的制備具有以下優(yōu)勢(shì):1)可以在不銹鋼上得到致密的鋁膜，在鍍膜過(guò)程中鋁膜通過(guò)擴(kuò)散附著在基底上成膜，有利于后處理過(guò)程中鋁向不銹鋼的擴(kuò)散，同時(shí)最外層的氧化鋁膜與基底之間結(jié)合力強(qiáng)；2)蒸鍍過(guò)程中鋁膜的厚度可以通過(guò)晶控儀精確控制，這有助于優(yōu)化過(guò)渡層的厚度、鋁的濃度以及最外層氧化鋁的厚度，有望用于制備高質(zhì)量LBE中的防腐蝕涂層
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法，其目的是在保證涂層致密度和結(jié)合強(qiáng)度的前提下，控制涂層中的鋁含量，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的抗腐蝕性能。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:1、一種鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下:( I)對(duì)鋼基體工件進(jìn)行表面清潔處理后，放入熱蒸發(fā)腔中，采用真空蒸發(fā)在鋼基體表面制備一層均勻致密、與鋼基體結(jié)合良好的鋁鍍層；(2)將鍍鋁后的鋼基體工件放入保護(hù)氣氛中熱處理，通過(guò)鋁鍍層與鋼基體的互擴(kuò)散使表面晶化的氧化鋁涂層與鋼基體之間產(chǎn)生中間層。通過(guò)熱沖擊實(shí)驗(yàn)表明涂層具有良好的附著性能。所述步驟(I)的真空蒸發(fā)腔的真空度為10_4-10_3Pa。所述步驟(2)中的熱處理溫度為700-800oC，熱處理氣氛為氮?dú)饣蛘邭鍤?，熱處理時(shí)間為2-5小時(shí)，以保證涂層中鋁的重量百分比不超過(guò)15%。所述步驟(2)中氧化鋁層的厚度根據(jù)涂層性能要求在2-20微米范圍內(nèi)可調(diào)，同時(shí)在氧化鋁和鋼基體之間存在1-5微米的中間層以實(shí)現(xiàn)涂層具有良好的附著性能；所述鋁鍍層的厚度通過(guò)晶控儀精確控制，有助于優(yōu)化過(guò)渡層的厚度、鋁的濃度以及最外層氧化鋁的厚度。所述步驟(I)中的鋼基體為所有鋼基材料，包括不同工業(yè)行業(yè)常用的奧氏體鋼316，316L及核能系統(tǒng)使用的低活化鐵素體/馬氏體鋼和T91鋼。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
(I)本發(fā)明利用熱蒸發(fā)方法在結(jié)構(gòu)鋼材表面沉積鋁鍍層，其厚度可以通過(guò)晶控儀精確控制，這有助于優(yōu)化中間層的厚度、鋁的濃度以及最外層氧化鋁的厚度。同時(shí)，涂層致密無(wú)孔洞，厚度可調(diào)且均勻一致，克服了熱浸鋁等方法對(duì)鍍層厚度和均勻性難以控制的缺點(diǎn)。(2)通過(guò)保護(hù)氣氛熱處理，不僅在氧化鋁涂層和鋼基體間形成了致密的中間層，而且避免了鋼基體的過(guò)度氧化。中間層有效提高了涂層的抗熱震和抗沖擊性能，而且克服了傳統(tǒng)涂層易開(kāi)裂、易剝落等問(wèn)題。(3)工藝穩(wěn)定可靠，無(wú)廢氣廢渣產(chǎn)生，不污染環(huán)境。(4)基于本發(fā)明所述的鋼基材料表面的氧化鋁涂層制備方法的廣泛適用性以及優(yōu)異的涂層性能表現(xiàn)，可以很好地解決ADS核能系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)鋼材耐腐蝕、耐磨損等難題，且還可用在能源、化工等工業(yè)領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；圖2為本發(fā)明制備的涂層結(jié)構(gòu)示意圖，其中I為鋼基體材料，2為中間層，3為氧化
鋁層；圖3為316上氧化鋁涂層氮?dú)庵袩崽幚砗蟊砻娴腅DS結(jié)果；圖4為316上氧化鋁涂層在550°C的液態(tài)鉛鉍中腐蝕1000小時(shí)后截面SEM照片及EDS線掃描結(jié)果，其中左邊是涂層斷面的SEM照片，右邊是涂層斷面的EDS線掃描結(jié)果。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳述。實(shí)施實(shí)例I將馬氏體鋼T91、奧氏體不銹鋼316、316L等結(jié)構(gòu)鋼材表面經(jīng)過(guò)400，600, 800, 1000
目砂紙打磨后，先后放入乙醇和丙酮的溶液中超聲清洗5-10分鐘后，取出吹干。將清洗干凈的鋼材放入熱蒸發(fā)設(shè)備中的襯底支架上，待真空達(dá)到2X 10_3Pa后開(kāi)始沉積單質(zhì)鋁層。將一定量的鋁絲放入鎢坩堝，鋼材與坩堝的距離為30厘米。緩慢提高電流至200安培后開(kāi)始熱蒸發(fā)過(guò)程，待鋁絲全部蒸發(fā)完后，將電流降為零。在真空腔中通入氮?dú)猓蜷_(kāi)真空腔，取出表面覆蓋了鋁鍍層的鋼材，鋁鍍層的厚度為3微米。將表面為單質(zhì)鋁的結(jié)構(gòu)鋼材放入氣氛爐中，通入高純氮?dú)?，同時(shí)緩慢升溫至700°C，保溫2小時(shí)后，在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下冷卻至室溫取出。實(shí)施實(shí)例2將馬氏體鋼T91、奧氏體不銹鋼316、316L等結(jié)構(gòu)鋼材表面經(jīng)過(guò)400，600, 800, 1000
目砂紙打磨后，先后放入乙醇和丙酮的溶液中超聲清洗5-10分鐘后，取出吹干。將清洗干凈的鋼材放入熱蒸發(fā)設(shè)備中的襯底支架上，待真空達(dá)到2X 10_3Pa后開(kāi)始沉積單質(zhì)鋁層。將一定量的鋁絲放入鎢坩堝，鋼材與坩堝的距離為30厘米。緩慢提高電流至200安培后開(kāi)始熱蒸發(fā)過(guò)程，待鋁絲全部蒸發(fā)完后，將電流降為零。在真空腔中通入氮?dú)?，打開(kāi)真空腔，取出表面覆蓋了鋁鍍層的鋼材，鋁鍍層的厚度為7微米。將表面為單質(zhì)鋁的結(jié)構(gòu)鋼材放入氣氛爐中，通入高純氮?dú)?，同時(shí)緩慢升溫至750°C，保溫2小時(shí)后，在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下冷卻至室溫取出。
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實(shí)施實(shí)例3將馬氏體鋼T91、奧氏體不銹鋼316、316L等結(jié)構(gòu)鋼材表面經(jīng)過(guò)400，600, 800, 1000
目砂紙打磨后，先后放入乙醇和丙酮的溶液中超聲清洗5-10分鐘后，取出吹干。將清洗干凈的鋼材放入熱蒸發(fā)設(shè)備中的襯底支架上，待真空達(dá)到2X 10_3Pa后開(kāi)始沉積單質(zhì)鋁層。將一定量的鋁絲放入鎢坩堝，鋼材與坩堝的距離為30厘米。緩慢提高電流至200安培后開(kāi)始熱蒸發(fā)過(guò)程，待鋁絲全部蒸發(fā)完后，將電流降為零。在真空腔中通入氮?dú)?，打開(kāi)真空腔，取出表面覆蓋了鋁鍍層的鋼材，鋁鍍層的厚度為10微米。將表面為單質(zhì)鋁的結(jié)構(gòu)鋼材放入氣氛爐中，通入高純氬氣，同時(shí)緩慢升溫至800°C，保溫2小時(shí)后，在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下冷卻至室溫取出。用掃描電鏡對(duì)涂層的表面、截面形貌、涂層與基體材料的結(jié)合進(jìn)行分析；采用能量色散譜EDS分析涂層表面、截面的成分；采用金相顯微鏡觀察涂層的孔隙率；通過(guò)熱沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試涂層的附著性能。結(jié)果表明:涂層致密，表面和截面無(wú)明顯的孔隙和微裂紋；涂層由鋁-鐵-氧三種元素成分構(gòu)成，涂層表面為氧化鋁，其中鋁的重量含量在13-15%之間，如圖3所示。涂層與基體的結(jié)合良好，結(jié)合面無(wú)明顯的孔隙出現(xiàn)。將涂層樣品放入550°C的液態(tài)鉛鉍中腐蝕1000小時(shí)來(lái)考核涂層的抗腐蝕性能。腐蝕結(jié)束后利用1:1:1的乙醇:雙氧水:乙酸混合液除去表面殘留的鉛鉍，對(duì)腐蝕后的樣品同樣采用掃描電鏡、EDS、金相顯微鏡測(cè)試其組分、形貌及涂層與鋼基體的結(jié)合情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用熱蒸發(fā)法制備的氧化鋁涂層具有良好的抗高溫液態(tài)鉛鉍腐蝕性能，如圖4所示。
需要說(shuō)明的是，按照本發(fā)明上述各實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員是完全可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明獨(dú)立權(quán)利要求及從屬權(quán)利的全部范圍的，實(shí)現(xiàn)過(guò)程及方法同上述各實(shí)施例；且本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。以上所述，僅為本發(fā)明部分具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的人員 在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下: (1)對(duì)鋼基體工件進(jìn)行表面清潔處理后，放入熱蒸發(fā)腔中，采用真空蒸發(fā)在鋼基體表面制備一層均勻致密、與鋼基體結(jié)合良好的鋁鍍層；所述真空蒸發(fā)腔的真空度為KT4-1O-3Pa ； (2)將鍍鋁后的鋼基體工件放入保護(hù)氣氛中熱處理，通過(guò)鋁鍍層與鋼基體的互擴(kuò)散使表面晶化的氧化鋁涂層與鋼基體之間產(chǎn)生中間層，實(shí)現(xiàn)涂層良好的附著性能；所述熱處理溫度為700-800° C，熱處理氣氛為氮?dú)饣蛘邭鍤?，熱處理時(shí)間為2-5小時(shí)，以保證涂層中鋁的重量百分比不超過(guò)15%;所述氧化鋁層的厚度根據(jù)涂層性能要求在2-20微米范圍內(nèi)可調(diào)，同時(shí)在氧化鋁和鋼基體之間存在1-5微米的中間層以實(shí)現(xiàn)涂層具有良好的附著性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中鋁鍍層的厚度通過(guò)晶控儀精確控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法，其特征在于:所述步驟 (I)中的鋼基體為所有鋼基材料，包括不同工業(yè)行業(yè)常用的奧氏體鋼316，316L及核能系統(tǒng)使用的低活化鐵素體/馬氏體鋼和T91鋼。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鋼基體表面氧化鋁涂層的制備方法，其特征是利用熱蒸發(fā)方法在結(jié)構(gòu)鋼材表面沉積一層厚度的鋁鍍層，然后通過(guò)保護(hù)氣氛后退火獲得氧化鋁涂層。本發(fā)明的主要優(yōu)勢(shì)在于熱蒸發(fā)法制備的涂層厚度可控，致密、孔隙率低、與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度好，具有良好的抗腐蝕性能，是一種能夠滿足ADS中結(jié)構(gòu)鋼材表面的防腐蝕要求的優(yōu)良防護(hù)涂層。
文檔編號(hào)C23C14/24GK103114267SQ20131004810
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者董偉偉, 周曙, 方曉東, 鄧贊紅, 邵景珍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院