本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆用結(jié)構(gòu)材料，特別涉及一種鐵素體/馬氏體鋼表面涂層制備方法。

背景技術(shù)：

1、核能作為一種清潔、高效的可持續(xù)能源一直備受國際社會(huì)關(guān)注。第四代反應(yīng)堆之一的鉛冷快堆相較于第三代反應(yīng)堆具有更高的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及核擴(kuò)散抑制性等優(yōu)異特點(diǎn)。鉛/鉍共晶合金(lbe)由于具有優(yōu)異的熱物理性能及低化學(xué)活性而被認(rèn)為是鉛冷快堆中很有發(fā)展前景的冷卻劑候選材料，但鉛/鉍共晶合金(lbe)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材料的腐蝕是限制其在鉛冷快堆實(shí)際工程應(yīng)用的重要因素之一。

2、鉛/鉍共晶合金(lbe)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕主要為氧化腐蝕、鉛鉍合金的滲透溶解腐蝕及高速流動(dòng)的液態(tài)鉛鉍合金對(duì)材料的沖刷腐蝕等。為了解決鉛/鉍共晶合金(lbe)的腐蝕問題，可以研制新型耐鉛鉍腐蝕合金或?qū)﹁F素體/馬氏體(f/m)鋼結(jié)構(gòu)材料表面進(jìn)行表面處理。

3、對(duì)鐵素體/馬氏體(f/m)鋼材料表面處理的主要途徑是結(jié)構(gòu)鋼材表面制備保護(hù)涂層來阻止鐵素體/馬氏體(f/m)鋼在鉛鉍環(huán)境中溶解或腐蝕。在材料表面制備cr涂層，其能在表面形成致密穩(wěn)定的cr2o3氧化層，阻礙氧的擴(kuò)散并抑制lbe的滲透，從而達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)材料、提高反應(yīng)堆運(yùn)行安全性和包殼材料壽命的目的。然而鉛鉍環(huán)境下cr涂層存在兩個(gè)問題：一是cr2o3生長伴隨較大的生長應(yīng)力(cr2o3/cr的生長應(yīng)力pilling-bedworth為2.07)，導(dǎo)致cr2o3氧化層容易出現(xiàn)裂紋、翹曲或剝落，造成涂層服役壽命縮短甚至失效；二是鉛鉍堆運(yùn)行溫度高達(dá)500-600℃，極易導(dǎo)致cr涂層晶粒過度長大，破壞表面氧化膜的同時(shí)，產(chǎn)生的長直晶界也將為鉛、鉍和氧元素提供快速擴(kuò)散通道。

4、鑒于上述問題，引入合金化設(shè)計(jì)理念，通過添加al元素來改善cr涂層性能，在cral涂層表面形成致密al2o3膜，相較于純cr涂層表面形成的保護(hù)性氧化膜更薄，能夠有效緩解涂層生長應(yīng)力的問題。然而，氧化過程中cral涂層中的al元素會(huì)向涂層表面快速遷移，導(dǎo)致涂層中出現(xiàn)大量al空位，空位將誘導(dǎo)其他元素向涂層或基底擴(kuò)散。同時(shí)，空位聚集將形成孔洞并可能衍生裂紋，導(dǎo)致涂層剝落，造成涂層失效。

5、因此，針對(duì)單一cr和cral涂層存在的氧化層裂紋、翹曲或剝落，以及高溫下元素激烈遷移和晶粒過度長大的問題，當(dāng)前亟需研發(fā)一種新的鐵素體/馬氏體鋼表面涂層制備方法，使鐵素體/馬氏體鋼應(yīng)用于鉛冷快堆的液態(tài)鉛鉍冷卻劑環(huán)境中時(shí)，鐵素體/馬氏體表面的涂層能夠提高鐵素體/馬氏體基體材料耐高溫液態(tài)鉛鉍腐蝕的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有良好耐高溫液態(tài)鉛鉍腐蝕的鐵素體/馬氏體鋼表面涂層制備方法。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種鐵素體/馬氏體鋼表面涂層的制備方法，適用于在鉛冷快堆的鉛/鉍共晶合金冷卻劑中的鐵素體/馬氏體鋼表面耐液態(tài)鉛鉍腐蝕涂層的制備，包括如下步驟：

3、對(duì)鐵素體/馬氏體鋼表面打磨、拋光及清洗預(yù)處理；

4、在磁控濺射設(shè)備中對(duì)鐵素體/馬氏體鋼表面偏壓反濺射清洗；

5、在ar氣氛下對(duì)cr靶和al靶表面預(yù)濺射；

6、通過cr靶濺射在鐵素體/馬氏體鋼表面沉積厚度600～4000nm的cr涂層；

7、通過cr靶與al靶雙靶共濺射在鐵素體/馬氏體鋼表面沉積厚度為600～4000nm的cral涂層；

8、通過交替沉積cr涂層和cral涂層，在鐵素體/馬氏體鋼表面形成總層數(shù)4～32層、總厚度5～20μm的cr/cral多層涂層；

9、對(duì)鐵素體/馬氏體鋼表面涂層去應(yīng)力和矯正變形處理。

10、進(jìn)一步地，所述鐵素體/馬氏體鋼表面的預(yù)處理步驟包括：

11、將鐵素體/馬氏體鋼按設(shè)計(jì)尺寸加工切割至預(yù)定大小；

12、依次用240#、600#、1000#、1500#、3000#的水磨砂紙對(duì)鐵素體/馬氏體鋼表面打磨；

13、在金相拋光機(jī)上用拋光膏對(duì)鐵素體/馬氏體鋼拋光處理；

14、分別用丙酮和無水乙醇超聲清洗鐵素體/馬氏體鋼10～20min后烘干。

15、進(jìn)一步地，所述鐵素體/馬氏體鋼表面偏壓反濺射清洗的步驟包括：

16、將鐵素體/馬氏體鋼固定于磁控濺射設(shè)備的真空爐腔內(nèi)樣品臺(tái)上；

17、旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)使樣品臺(tái)固定鐵素體/馬氏體鋼的一面背對(duì)靶材；

18、將真空爐抽空至真空度不高于2×10-4pa后通入ar氣體使真空爐真空度達(dá)到2～4pa；

19、在偏壓為-500～-700v、靶基距為8～12cm條件下對(duì)鐵素體/馬氏體鋼表面進(jìn)行偏壓反濺射清洗15～20min。

20、進(jìn)一步地，所述在ar氣氛下對(duì)cr靶和al靶表面預(yù)濺射的步驟包括：

21、在鐵素體/馬氏體鋼偏壓反濺射清洗完成后關(guān)閉氬氣體；

22、待真空爐真空度達(dá)到本底真空度后，調(diào)整氬氣流量為50～80sccm，使真空爐氣壓達(dá)到0.5～1.0pa；

23、在預(yù)濺射氣壓0.5～1.0pa、預(yù)濺射功率150～300w條件下，打開cr靶和al靶電源，對(duì)cr靶和al靶表面預(yù)濺射清洗5～15min。

24、進(jìn)一步地，所述cr靶純度為99.99％，所述al靶純度為99.999％。

25、進(jìn)一步地，所述鐵素體/馬氏體鋼表面沉積cr涂層的步驟包括：

26、在靶材預(yù)濺射完成后關(guān)閉al靶電源，保持cr靶起輝狀態(tài)；

27、以ar作工作氣氛，設(shè)置氬氣流量50～80sccm，濺射氣壓0.4～1.0pa，靶基距8～12cm，偏壓工作電壓-50～-150v，沉積溫度150～400℃，cr靶濺射功率600～800w；

28、旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)使鐵素體/馬氏體鋼正對(duì)靶材；

29、cr靶濺射，在鐵素體/馬氏體鋼表面沉積厚度600～4000nm的cr涂層。

30、進(jìn)一步地，所述在鐵素體/馬氏體鋼表面沉積cral涂層的步驟包括：

31、在cr靶濺射的工作氣氛下，打開al靶電源；

32、設(shè)置氬氣流量50～80sccm，濺射氣壓0.4～1.0pa，靶基距8～12cm，偏壓工作電壓-50～-150v，沉積溫度150～400℃，cr靶濺射功率600～800w，al靶濺射功率200～1000w；

33、cr靶與al靶雙靶共濺射，在鐵素體/馬氏體鋼表面的cr涂層上沉積厚度600～4000nm的cral涂層。

34、進(jìn)一步地，所述交替沉積cr涂層和cral涂層的步驟包括：

35、鐵素體/馬氏體鋼表面的cral涂層沉積完成后，關(guān)閉al靶電源，重復(fù)cr靶濺射在鐵素體/馬氏體鋼表面的cral涂層上再沉積cr涂層；

36、打開al靶電源，重復(fù)cr靶與al靶雙靶共濺射在鐵素體/馬氏體鋼表面的cr涂層再沉積cral涂層；

37、如此反復(fù)至鐵素體/馬氏體鋼表面的涂層總層數(shù)為4～32層，總厚度為5～20μm。

38、進(jìn)一步地，所述鐵素體/馬氏體鋼表面涂層的去應(yīng)力和矯正變形處理是將完成表面涂層的鐵素體/馬氏體鋼在關(guān)閉工作氣氛后隨真空爐冷卻至100℃以下，然后關(guān)閉真空系統(tǒng)后在真空爐內(nèi)靜置5h～10h后取出。

39、進(jìn)一步地，所述cral涂層中的al含量為3wt％～20wt％。

40、本發(fā)明提供的一種鐵素體/馬氏體鋼表面涂層的制備方法，適用于在鉛冷快堆的鉛/鉍共晶合金冷卻劑中的鐵素體/馬氏體鋼表面的耐液態(tài)鉛鉍腐蝕涂層的制備。該方法通過cr靶濺射沉積和cr靶al靶雙靶磁控共濺射沉積工藝，在鐵素體/馬氏體鋼表面反復(fù)沉積形成依次由cr涂層和cral涂層構(gòu)成的若干層cr/cral涂層，可將cr涂層和cral涂層的優(yōu)異性能結(jié)合在一起，同時(shí)通過多層結(jié)構(gòu)在各相鄰?fù)繉又g引入的層間界面，并通過調(diào)控涂層的層間界面的數(shù)量，能有效抑制元素的擴(kuò)散遷移和晶粒長大，使材料具有更高的化學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可有效減緩鉛鉍元素向基體內(nèi)擴(kuò)散，形成具有保護(hù)效果的氧化膜，從而大大提高了鐵素體/馬氏體鋼在鉛冷快堆的鉛/鉍共晶合金冷卻劑中的耐鉛鉍腐蝕性能。

41、并且，本發(fā)明提供的一種鐵素體/馬氏體鋼表面涂層的制備方法，通過在鐵素體/馬氏體鋼表面反復(fù)沉積形成依次由cr涂層和cral涂層構(gòu)成的若干層cr/cral涂層，并對(duì)鐵素體/馬氏體鋼表面涂層進(jìn)行去應(yīng)力和矯正變形處理，可以避免氧化過程中cral涂層中的al元素向涂層表面的快速遷移，避免涂層中出現(xiàn)大量al空位而誘導(dǎo)其他元素向涂層或基底擴(kuò)散。同時(shí)也避免了空位聚集形成孔洞而可能衍生裂紋，導(dǎo)致涂層剝落，造成涂層失效等問題，從而減緩了al元素聚集導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，提高鐵素體/馬氏體鋼表面涂層的使用安全性，達(dá)到了有效提高涂層在鉛/鉍共晶合金冷卻劑中耐鉛鉍腐蝕的性能，提高了涂層的穩(wěn)定性，解決了鐵素體/馬氏體鋼表面在鉛鉍環(huán)境中腐蝕明顯的問題，進(jìn)而提升了鉛鉍堆燃料包殼結(jié)構(gòu)材料的服役壽命。