[发明专利]一种耐辐照涂层制备方法

说明书

本发明公开了一种在核聚变关键部件制备抗辐射涂层的方法，制备方法包括：采用考夫曼源对基材进行表面活化处理，随后利用金属真空蒸汽离子源方法(MEVVA)，在基材表面注入一层能提高膜基结合力的金属″钉扎层″；然后采用磁过滤阴极真空弧沉积方法(FCVA)沉积合金应力释放层，紧接着使FCVA以及MEVVA同时工作，并在进气口通入10‑30sccm的氮气和50‑100sccm的乙炔，在基材表面沉积总厚度为1‑50微米的多相镶嵌的合金/氮化物/碳化物碳基涂层。该发明中磁过滤沉积系统、金属真空蒸汽离子源系统所用阴极为一定配比的TiMoCuNi靶材。通过实施本发明，在关键部件上沉积多相涂层具有很好的抗辐射能力，防止在聚变堆中其因氦离子轰击引起发泡和脱落带来严重的表面腐蚀，影响服役寿命。

技术领域

本发明为核能站内核电关键部件的表面防辐照涂层制备方法。本发明涉及的是一种合金/氮化物/碳化物碳基涂层制备方法。具体是基于气体及金属离子束技术通过考夫曼气体离子源、金属真空蒸汽离子源以及磁过滤沉积系统制备合金/氮化物/碳化物碳基涂层。

技术背景

随着科学技术的发展以及人类生活水平的提高对现有电能的需求越来越旺盛，但随着温室效应及资源的过度开采核能成为当今解决电力问题的主要手段。核能主要是利用核反应堆中核裂变或者聚变放出的热能进行发电，与火力发电极其相似。核能发电有很多优点：1)不像化石燃料发电那样排放大量的污染物到大气中；2)不会产生和加重地球温室效应的二氧化碳气体；3)核能发电中核燃料的能量密度比起化石燃料高几百万倍，而且运输和存储很方便；但核能发电也存在着诸多缺点：1)核能电厂会产生高低阶的长寿命放射性废料，对人类有着潜在的辐照危险；2)核电厂内有大量的放射性物质，如发生屏蔽材料损耗或失效会对人及生态造成永久伤害，所以对反应堆内屏蔽保护的材料要求十分苛刻。

发明内容

针对核能屏蔽材料损耗或者失效问题，本发明基于气体离子源及金属离子束技术利用考夫曼离子源、磁过滤沉积(FCVA)以及金属离子源(MEVVA)系统制备了抗辐照的四元合金/氮化物/碳化物碳基涂层。

本发明实施例的目的之一是结合四元合金在磁过滤沉积技术下形成大量的晶界、相界以及自由表面的涂层，涂层中以上述界面作为点缺陷的有效陷阱，有效吸收并消除因辐照引起的可移动点缺陷，从而抑制间隙和空位的积聚，有效提高基体材料的抗辐照损伤能力。

进一步来讲，制备大量晶界、相界以及自由表面的涂层方法包括：利用考夫曼气体离子源在所述基材表面进行清洗活化，紧接着在基材表面利用金属真空蒸汽离子源进行合金金属元素注入形成金属″钉扎层″；在所述″钉扎层″上进行合金过渡层沉积，形成释放应力层；在所述释放应力层上沉积抗辐照的四元合金/氮化物/碳化物碳基涂层。

在一些实施例中，所述基材进行表面活化包括：利用气体离子源(考夫曼离子源)，向所述基材进行表面溅射清洗，采用的气体为惰性气体或者反应气体；其中，溅射电压为0.5～2kV，束流强度为100～500mA。

在一些实施例中，所述基材注入形成″钉扎层″包括：利用金属真空蒸汽离子源(MEVVA)，向所述基材层注入合金，采用的靶材为四元合金靶材，至少有一元素与碳是弱键合的，同时有两元素是非共溶的；其中，合金元素的注入电压为4～12kY，束流强度为1～10mA，注入剂量为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²，注入深度为70～120nm。

在一些实施例中，在所述金属″钉扎层″上进行合金沉积包括：利用所述磁过滤真空弧沉积(FCVA)系统，在所述金属″钉扎层″上，磁过滤沉积出合金应力释放层；其中，所述释放层厚度为10～500nm。