[发明专利]碳化铬弥散氧化铬/氧化铝复合阻氢涂层材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种碳化铬弥散氧化铬/氧化铝复合阻氢涂层材料及制备方法，属于阻氢渗透材料技术领域。本发明方法的涂层材料是在不锈钢基体上的氧化铬弥散碳化铬及其氧化铝组成。该复合涂层通过脉冲电化学沉积在不锈钢基板上形成均匀致密的Cr‑C合金，随后控制氧化生成一种碳化铬弥散于氧化铬的复合涂层，最后在复合涂层上原子层沉积氧化铝,退火后形成碳化铬弥散氧化铬/氧化铝复合涂层。本发明的涂层材料具有涂层制备工艺简单的优点，其中的碳化铬夹杂在氧化铬涂层中，起到钉扎氢在氧化物晶界扩散的作用，能有效降低氢及其同位素在不锈钢的渗透率，从而达到阻氢渗透的目的。

技术领域

本发明涉及一种碳化铬弥散氧化铬/氧化铝复合阻氢涂层材料及制备方法，属于阻氢渗透材料技术领域。

背景技术

核能由于具有清洁、高效和能量密度大的特点在新能源发展中占有重要地位。氢气及其同位素在核能的可控利用中扮演着至关重要的作用。在裂变堆中，材料的吸氢行为会严重影响材料的耐腐蚀性能甚至发生氢脆。为了解决涉氢应用领域中氢渗透带来的问题，可以通过采用在材料表面制备渗氢阻挡涂层的方法提高材料或容器的阻氢渗透性能。

阻氢渗透涂层是对结构部件的氢渗透起降低和阻挡作用的涂层材料，涂层的高阻氢因子归因于强离子键，它将金属原子和氧原子紧紧结合在一起，氢原子的扩散必须克服氧化物涂层的高活化能。陶瓷材料由于具有氢渗透率低，高温稳定性，较高的硬度和强度，化学键强等优点在阻氢涂层研究中扮演了重要的角色。陶瓷阻氢涂层分为氧化物涂层和非氧化物涂层。氧化物涂层由于制备方法简单，性能优良，从而成为目前研究最多，应用最广的涂层。常见的有Al₂O₃,Cr₂O₃,ZrO₂和Er₂O₃等，一般通过基体直接氧化或者合金涂层氧化方法得到。非氧化物涂层主要包括TiC，TiN，SiC以及Si₃N₄。金属氧化物和碳化物是聚变反应堆最有希望的氢渗透屏障涂层之一。氧化铬陶瓷涂层具有较好的降低氢渗透的能力，因为它们具有很强的离子键，500℃下氧化铬中氢原子扩散系数5.03×10^-10cm²/s。氧化铝涂层具有高的阻氢因子、致密的氧化膜结构和稳定的化学性质，铝和氧之间的结合的键能为511kJ/mol，大于氢和氧之间428kJ/mol的键能，因而氢渗透时需要很高的能量才能破坏铝氧化学键形成氢氧化学键，所以氧化铝涂层对氢扩散的阻挡效果优异。

最早公开的阻氢涂层是CN1971168采用Cr₂O₃作为阻氢材料，可以很大程度阻止氢的渗透，但由于热失配，涂层与基体结合力较弱。专利CN104647828A和CN105500811A利用金属-有机化学气相沉积，通过同时沉积氧化铝和氧化铬涂层，在不锈钢内表面形成以氧化铝为主相，氧化铬弥散分布于主相中的阻氢涂层。采用该方法可获得厚度约为0.1-20μm 的Al₂O₃/Cr₂O₃弥散阻氢涂层。该阻氢涂层与基体结合强度高，阻氢性能提高100倍以上。专利CN105667009A通过金属-有机化学气相沉积法制备一种Y₂O₃/Al₂O₃/Cr₂O₃复合梯度阻氢涂层，通过先后沉积氧化铬、氧化铝和氧化钇涂层，获得厚度约0.1-20μm。该阻氢涂层与基体结合强度高，阻氢性能提高300倍以上。专利CN103895282A采用低压等离子体喷涂设备进行Ni-Cr-Al过渡层制备，通过后续处理形成厚度约为0.1-20μm的Al₂O₃/Cr₂O₃阻氢涂层。

发明内容