一种Zr-4包壳表面CrN-Cr-CrN复合防护涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Zr

【技术实现步骤摘要】
一种Zr
‑
4包壳表面CrN
‑
Cr
‑
CrN复合防护涂层的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种Zr
‑
4包壳表面CrN
‑
Cr
‑
CrN复合防护涂层的制备方法，属于功能材料制备


技术介绍

[0002]核能是一种高效、清洁且可持续的能源，在世界能源结构上占有重要地位。核力发电作为高效清洁的能源发电方式被研究探讨。锆合金由于其低的中子吸收截面、良好的耐腐蚀性、良好的综合力学性能、易于加工、好的导热性及的线膨胀系数被作为核反应堆的包壳材料。但是在事故工况下，锆合金会和高温水蒸气反应生成氢气发生爆炸(Zr+2H2O＝ZrO2+2H2↑
)。为了提高核反应堆在的安全性，开发一种新型耐高温、抗氧化的包壳材料。
[0003]目前作为包壳涂层材料进行研究较多的有三类，分别是陶瓷涂层，金属涂层和复合涂层，其中金属Cr的熔点较高，热膨胀系数与Zr接近，并且在高温时能够生成一层致密的Cr2O3保护膜，使得其抗氧化性能也很好。因此金属Cr作为锆包壳防护涂层时在正常工况和模拟事故工况下表现良好，但耐磨性较差，因此抗微动磨损能力需要进一步提高。
[0004]硬质氮化物涂层因其硬度大、耐磨性好、熔点高、化学稳定性好、成本低等优点，被广泛应用于刀具、发动机零部件等机械部件的保护。其中，优异的力学性能和抗氧化性能是CrN涂层广泛应用于Zr合金包壳涂层材料的重要依据。但现有CrN陶瓷涂层存在与锆合金基底结合力差，且自身较脆、发生微小形变就会产生裂纹导致包壳失效的问题。
[0005]因此，提供一种具有较强的抗氧化能力、耐磨性的涂层应用于Zr合金包壳是十分必要的。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决现有上述技术问题，提供一种Zr
‑
4包壳表面CrN
‑
Cr
‑
CrN复合防护涂层的制备方法，在保证涂层具有较好的高温抗氧化能力、耐磨性能的前提下，提高复合涂层与锆包壳的结合力。
[0007]本专利技术的技术方案：
[0008]一种Zr
‑
4包壳表面CrN
‑
Cr
‑
CrN复合防护涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0009]该方法包括以下步骤：
[0010]步骤1，基底前处理：对基底表面和侧面的氧化层进行打磨，然后进行超声清洗和等离子体表面处理；
[0011]步骤2，制备涂层：将经过前处理后的基底进行磁控溅射处理，在基底的两个表面分别重复交替镀上Cr和CrN涂层，并保证最外层和最内层均为CrN涂层。
[0012]进一步限定，步骤1中打磨的操作过程为：将线切割后的样品依次使用100目、400目、1200目和2000目的砂纸进行打磨。
[0013]进一步限定，步骤1中超声清洗的操作过程为：依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水反复超声清洗3次，最后在70℃条件下干燥1h。
[0014]进一步限定，步骤1中等离子体表面处理的操作过程为：将经过超声清洗后的样品放入等离子体机的腔体内，抽真空15min后，通入氩气并维持气压为1.0
‑
1.5pa，开启电源，利用通入氩气所产生的等离子体对样品的两侧表面分别进行刻蚀清洗。
[0015]更进一步限定，刻蚀清洗条件为偏压
‑
200V，气氛为氩气，腔体内气压1Pa，时间15min。
[0016]进一步限定，步骤2制备涂层的具体操作过程为：
[0017](1)制备CrN涂层：
[0018]磁控溅射处理条件为：基底与Cr靶的间距为10cm～30cm，基底温度为100℃
‑
200℃，工作气压为5
×
10
‑4Pa～1
×
10
‑3Pa，磁控溅射功率为100W～250W，溅射气体为Ar和N2的混合气，气体流速为10sccm～30sccm，溅射气压为1.0Pa～3Pa，样品台转速为10r/min～50r/min，沉积时间为1h～5h，磁控溅射过程中Ar在混合气中占比依次为100％、90％、80％和70％；
[0019](2)制备Cr涂层：
[0020]磁控溅射处理条件为：基底与Cr靶的间距为10cm～30cm，基底温度为100℃
‑
200℃，工作气压为5
×
10
‑4Pa～1
×
10
‑3Pa，磁控溅射功率为100W～300W，溅射气体为Ar，气体流速为10sccm～30sccm，溅射气压为1.0Pa～3Pa，样品台转速为10r/min～50r/min，沉积时间为1h～5h；
[0021](3)依次交替重复步骤(1)和步骤(2)直至所需涂层厚度，并且保证最外层为CrN涂层。
[0022]更进一步限定，步骤2制备涂层的具体操作过程为：
[0023](1)制备CrN涂层：
[0024]磁控溅射处理条件为：基底与Cr靶的间距为10cm，基底温度为200℃，工作气压为5
×
10
‑4Pa，磁控溅射功率为250W，溅射气体为Ar和N2的混合气，气体流速为20sccm，溅射气压为1.0Pa，样品台转速为20r/min，沉积时间为2h；
[0025]从磁控溅射开始，0min～30min，Ar在混合气中占比为100％；30min～60min，Ar在混合气中占比为90％；60min～90min，Ar在混合气中占比为80％；90min～120min，Ar在混合气中占比为70％；
[0026](2)制备Cr涂层：
[0027]磁控溅射处理条件为：基底与Cr靶的间距为10cm，基底温度为200℃，工作气压为5
×
10
‑4Pa，磁控溅射功率为250W，溅射气体为Ar，气体流速为20sccm，溅射气压为1.0Pa，样品台转速为20r/min，沉积时间为2h；
[0028](3)重复步骤(1)，保证最外层为CrN涂层，获得CrN
‑
Cr
‑
CrN复合防护涂层。
[0029]更进一步限定，Cr靶纯度为99.95％，尺寸为
[0030]进一步限定，溅射气Ar纯度为99.99％，溅射气N2纯度为99.99％。
[0031]进一步限定，基底为Zr
‑
4合金板材。
[0032]本专利技术具有以下有益效果：本专利技术利用磁控溅射技术，首先在Zr
‑
4基底上，通过逐渐增加溅射舱内的N2含量，先沉积亚化学计量比的Cr
x
N
y
，此时涂层内既存在金属键又存在离子键，有效的增强了结合力，最后在溅射舱内N2的含量达到一定程度时，溅射出的Cr靶材粒子会全部生成CrN，实现CrN涂层的沉积，且其中溅射开始初期生成的Cr作为中间过渡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Zr
‑
4包壳表面CrN
‑
Cr
‑
CrN复合防护涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，基底前处理：对基底表面和侧面的氧化层进行打磨，然后进行超声清洗和等离子体表面处理；步骤2，制备涂层：将经过前处理后的基底进行磁控溅射处理，在基底的两个表面分别重复交替镀上Cr和CrN涂层，并保证最外层和最内层均为CrN涂层。2.根据权利要求1所述的一种Zr
‑
4包壳表面CrN
‑
Cr
‑
CrN复合防护涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中打磨的操作过程为：将线切割后的样品依次使用100目、400目、1200目和2000目的砂纸进行打磨。3.根据权利要求1所述的一种Zr
‑
4包壳表面CrN
‑
Cr
‑
CrN复合防护涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中超声清洗的操作过程为：依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水反复超声清洗3次，最后在70℃条件下干燥1h。4.根据权利要求1所述的一种Zr
‑
4包壳表面CrN
‑
Cr
‑
CrN复合防护涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中等离子体表面处理的操作过程为：将经过超声清洗后的样品放入等离子体机的腔体内，抽真空15min后，通入氩气并维持气压为1.0
‑
1.5pa，开启电源，利用通入氩气所产生的等离子体对样品的两侧表面分别进行刻蚀清洗。5.根据权利要求4所述的一种Zr
‑
4包壳表面CrN
‑
Cr
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CrN复合防护涂层的制备方法，其特征在于，所述的刻蚀清洗条件为偏压
‑
200V，气氛为氩气，腔体内气压1Pa，时间15min。6.根据权利要求1所述的一种Zr
‑
4包壳表面CrN
‑
Cr
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CrN复合防护涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2制备涂层的具体操作过程为：(1)制备CrN涂层：磁控溅射处理条件为：基底与Cr靶的间距为10cm～30cm，基底温度为100℃
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200℃，工作气压为5
×
10
‑4Pa～1
×
10
‑3Pa，磁控溅射功率为100W～250W，溅射气体为Ar和N2的混合气，气体流速为10sccm～30sccm，溅射气压为1.0Pa～3Pa，样品台转速为10r/min～50r/min，沉积时间为1h～5h，磁控溅射过程中Ar在混合气中占比依次为100％、90％...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢松涛，李召峰，李杨，洪杨，吴晓宏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：