[发明专利]一种复合阻氢涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种复合阻氢涂层及其制备方法。该复合阻氢涂层包括依次布设在不锈钢基体上的金属过渡层和相应金属的氧化物陶瓷涂层，其中金属过渡层和金属氧化物陶瓷涂层交替叠加多层。该复合阻氢涂层的制备方法包括以下步骤：(1)将不锈钢基体单面抛光至粗糙度为0.1～2μm；(2)在基体上以气相沉积方法、化学镀或包埋法制备金属过渡层；(3)在该金属过渡层上以气相沉积方法制备相应金属的氧化物陶瓷涂层；(4)在金属氧化物陶瓷涂层表面以气相沉积方法制备金属过渡层；(5)重复上述步骤(3)，最终获得金属过渡层和相应金属的氧化物陶瓷涂层交替叠加的复合阻氢涂层。本发明的阻氢涂层与基体结合强度良好，阻氢性能良好。

技术领域

本发明涉及一种复合阻氢涂层及其制备方法，属于核聚变反应涂层材料技术领域。

背景技术

在核聚变反应中，氢同位素氘和氚作为核聚变的燃料，由于其原子半径较小，导致其在聚变包层金属结构材料中具有极强的渗透性，为防止氚从增殖剂中向冷却剂或从管道中向环境中渗透，采用在氚增值包层金属结构材料内壁和管道内壁涂覆阻氢涂层用以保证液态氚增值包层系统中环境和冷却剂中氚的安全水平。常见的阻氢涂层有氧化物陶瓷涂层，氮化物陶瓷涂层和钛基陶瓷涂层等。

阻氢涂层的结构通常由基体和涂层两部分组成。目前常用的基体材料为低活性马氏体或奥氏体等不锈钢，在其上进行阻氢涂层的制备，其中氧化物陶瓷涂层因其良好的高温稳定性和优异的阻氢性能从而满足核聚变反应领域涂层材料的设计要求，因而被作为一种理想的阻氢涂层被广泛应用且应用前景良好。现有技术通常在基体材料上直接制备氧化物陶瓷涂层，但是由于基体材料和涂层材料之间较大的热膨胀系数差异，导致在高温状态下容易产生热应力适配，导致涂层开裂甚至剥落，不仅会降低涂层的阻氢性能，而且氢或其同位素渗透进入金属结构材料中，导致结构材料发生氢损伤，降低其物理性能，从而在一定程度上缩短其使用寿命；除此之外，由于基体材料与氧化物陶瓷涂层之间元素组成及结构存在差异，导致涂层与基体之间结合力相对较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合阻氢涂层，该复合阻氢涂层可用在低活性的马氏体或奥氏体等不锈钢结构材料表面用于阻止或减缓氢的渗透扩散速率，特别是在以氢同位素氘和氚作为燃料的核聚变反应堆增值包层材料中应用更为广泛，其与基体结合强度良好，表现出良好的阻氢性能。

本发明的另一目的在于提供一种所述复合阻氢涂层的制备方法，该制备方法工艺简单，成本低廉。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合阻氢涂层，包括依次布设在不锈钢基体上的金属过渡层和相应金属的氧化物陶瓷涂层，其中金属过渡层和金属氧化物陶瓷涂层交替叠加多层。。

其中，所述不锈钢为马氏体或奥氏体不锈钢。

其中，所述金属和相应金属的氧化物为Al和Al₂O₃、Cr和Cr₂O₃、Y和Y₂O₃、Zr和ZrO₂或Er和Er₂O₃。

其中，所述金属过渡层和相应金属氧化物陶瓷涂层的总厚度为0.1-5μm。

一种所述复合阻氢涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将不锈钢基体单面抛光至粗糙度为0.1～2μm；

(2)在基体上以气相沉积方法、化学镀或包埋法制备金属过渡层；

(3)在该金属过渡层上以气相沉积方法制备相应金属的氧化物陶瓷涂层；

(4)在金属氧化物陶瓷涂层表面以气相沉积方法制备金属过渡层；

(5)重复上述步骤(3)，最终获得金属过渡层和相应金属的氧化物陶瓷涂层交替叠加的复合阻氢涂层。