一種阻氫(氚)用的C-SiC塗層物理氣相製備方法

2023-06-15 05:49:46 2

專利名稱：一種阻氫(氚)用的C-SiC塗層物理氣相製備方法
技術領域：
本發明屬於核技術及應用領域，涉及一種用於阻氫(氚)的C-SiC塗層的物理氣相製備
方法。
背景技術：
低原子序數(Z)的材料如石墨、SiC等具有優良的抗輻射、高的熱傳導性和抗熱沖擊等 性能。氫及其同位素在其中的擴散係數比在Fe基材料如不鏽鋼中低數個量級，因而具有優良 的阻氫(氚)效果，由這些低Z材料作為塗層，可用於聚變堆第一壁、核廢料垃圾桶內壁的 保護上，也可以應用於氫環境下關鍵金屬構件的抗氫脆的保護上。此外，這種材料的塗層還 能有效提高被保護的基體材料的耐腐蝕抗磨損性能。
.石墨及SiC塗層的製備有多種方法，已公開的如下1)專利公開號CN1594648A中，在 射頻磁控濺射沉積過程中對Si襯底加熱高達1000'C的條件下形成SiC薄膜，隨後進行高達 1300'C真空或保護氣體下的退火。這種方法製備的塗層用於光電子、微電子器件的非晶SiC 薄膜或具有擇優取向的晶體薄膜；2)專利公開號CN101138787A，將一定比例的SiC顆粒、 粘結劑、添加劑、淨化劑及輔料攪拌成耷狀後釆用負壓鑄滲法在中碳鋼基體上塗覆SiC，改 善中碳鋼的表面抗ll損性能；3)在專利公開號CN1554802A中，採用聚碳矽烷(PCS)溶液塗 覆在基體表面，經揮發形成PCS塗層，然後在含有Si的保護氣體下進行高溫裂解，形成一定 碳/矽比的碳化矽塗層。該塗層用於核反應堆石墨表面抗氧化保護。
本發明與上述諸方法不同之處在於這種物理氣相的製備方法是由磁控濺射沉積與離子 ,宋轟擊混合交替進行的製備方法。這種方法是通過能量粒於與基體及沉積物質的相互作用的 動力學過程，使沉積的C-SiC塗層與基體及已沉積的物質發生混合，大大提高了塗層與基體 的結合強度，有效提高塗層的緻密度；同時通過動力學相變過程使塗層材料發生晶化，這樣 又避免了沉積過程中的高溫加熱。

發明內容
本發明的目的是提供一種製備C-SiC阻氫(氚)保護塗層的物理氣相製備方法。在Fe基 材料表面塗覆結構緻密、與基體結合好的阻氫(氚)性能優良的C-SiC塗層，該塗層可廣泛
使用於富氫(氚)環境下(如聚變堆第一壁、核廢料垃圾桶內壁、關鍵金屬構件)Fe基材料 表面保護上。
本發明的C-SiC塗層製備包括如下步驟
1) 對鋼基體表面進行金相拋光處理，後用常規進行清洗烘乾；以一定比例的C/SiC通過 燒結製成磁控濺射耙材；
2) 用離子束轟擊基體表面進行濺射清洗，或釆用高真空條件下電子束掃描的方法去除基 體表面氧化層及吸附的雜質，提高基體表面活度；
3) 使用磁控濺射與離子束轟擊相結合的技術在基體上製備C-SiC塗層；
4) 重複步驟3，直至塗層厚度達到所需厚度；
5) 將製備的樣品進行退火處理；
6) 取出樣品，完成製備C-SiC塗層的工藝。 其中磁控濺射電源為射頻或中頻磁控電源。 其中磁控濺射和離子束的工作氣體為氬氣。


為進一步說明本發明的技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如後，其中
.圖l是多功能表面處理設備結構示意圖2是不鏽鋼基體上製備的C-SiC塗層SEM微觀形貌圖3是不鏽鋼基體上製備的C-SiC塗層C、 Si、 Fe元素的SIMS深度分布圖。
具體實施方式
實施案例l.
1) 不鏽鋼基體表面迸行金相拋光，並依次用丙酮、酒精、去離子水進行超聲波清洗15分 鍾，烘乾後置於靶室l中的樣品架上；將C-SiC靶材固定在磁控濺射靶頭2上的陰極 靶託上。
2) 開啟真空機組3，將靶室抽真空到5Xl(TPa以上。將不鏽鋼基體移至離子源4處，基 體表面與離子源法線夾角為45° ，開啟離子源，用25KeV的氬離子束對基體表面進行 濺射清洗。
3) 開啟中頻磁控電源，中頻頻率為40 kHz，輔助氣體為氬氣，磁控濺射電壓為350 450 V，初始濺射電流為200mA，在基體上加載0 100V的負偏壓，預沉積C-SiC厚度達20nm 後，關閉氬氣，待真空度達5X10—3Pa以上時，用40KeV的氬離子束轟擊沉積表面。然 後採用中頻磁控沉積C-SiC約40nm,再用相同條件的氬離子轟擊，重複此步驟至塗層 達到預定厚度，關閉磁控電源及離子源，半小時後關閉真空機組。
4) 約2小時後，從真空室中取出樣品。
5) 採用真空退火處理技術消除製備的C-SiC塗層中的氬氣，如圖2所示，退火溫度為 400 700°C，退火時間為15 30分鐘。
實施案例2.
1) 鐵基材料表面拋光及清潔處理，不同比例的C/SiC靶材固定在不同的磁控濺射陰極耙 託上。
2) 耙室抽真空到5X10—4Pa以上。將不鏽鋼基體移至電子槍5處，基體表面與電子槍法 線夾角為45° ，開啟電子槍，用20KeV、束斑為①2mni的聚焦電子束對基體表面進行 掃描清洗，去除基體表面的氧化物及汙染物。
3) 採用射頻磁控濺射沉積C-SiC塗層。類似實施案例1中的步驟3),射頻頻率為13. 6 27.2 MHz,濺射電壓300 800V，電流密度4 50mA/cm2，氬氣壓力1(T1 2. 0Pa，工 件與靶的距離4 10cm。根據塗層使用要求，更換不同靶的磁控濺射系統，從而製備 出具有不同比例C/SiC多層結構的塗層。
4) 約2小時後，從真空室中取出樣品。
5) 採用電子束掃描進行退火以消除C-SiC塗層中的氬氣，電子束功率密度為2X103 8 X103W/cm2， 二維掃描速度分別為移動速度2 5cm/min;旋轉速度50 100r/min。
製備出的C-SiC塗層均勻、緻密，形成的塗層與基體具有展寬的過渡層，如圖3二 次離子質譜所示，基體元素Fe與塗層元素Si、 C發生混合、相互滲透，因而大大提高了 塗層與基體的結合強度。氫離子輻照模擬結果表明，氫在塗層中的濃度比不鏽鋼基體中 高出3個數量級以上，顯示出優良的阻氫性能。
權利要求
1、採用本方法製備具的C-SiC阻氫(氚)保護塗層，其特徵在於包括如下步驟 1)對鋼基體表面進行金相拋光處理後，用常規方法進行清洗烘乾；以一定比例的C/SiC通過燒結製成磁控濺射用的靶材； 2)用離子束轟擊基體表面進行濺射清洗，或採用高真空條件下電子束掃描的方法去除基體表面氧化層及吸附的雜質，提高基體表面活度； 3)使用磁控濺射與離子束轟擊相結合的技術在基體上製備C-SiC塗層； 4)重複步驟3)，直至塗層厚度達到所需厚度； 5)將製備的樣品在真空環境下進行退火處理； 6)取出樣品，完成製備C-SiC塗層的工藝。
2、 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於靶材為一定比例的石墨和SiC混合燒結而成， 根據塗層使用條件，其SiC/C比例可以是25免 9(^。鋼基體可以是不鏽鋼等Fe基材料。
3、 根據權利要求1所述的方法，磁控電源可以為射頻或中頻磁控源，功率密度為1.5 3 'W/cm2。工作氣體為氬氣。
4、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於為了進一步提高塗層與基體的結合強度，在 初沉積的C-SiC薄膜時，可以在基體上加載0 100V的負偏壓。
5、 根據權利要求1所述的離子束轟擊，其特徵在於清洗用時，能量為15 25KeV;沉積混 合用時，能量為30 80KeV，劑量為0. 5X 10l5 l. 5X 1016cnT2。
6、 根據權利要求l所述的電子束掃描清洗基體表面，其特徵在於能量為15 30KeV，功率 密度為5X104~1X105 W/cm2。
7、 根據權利要求1所述的C-SiC薄膜層沉積厚度，其特徵在於預沉積的厚度應通過TRIM 計算，以保證離子束能夠穿透錄膜層進入基體，吝&^礎上沉積的薄膜層厚度及,次數 可根據離子束能量、擬製備的塗層厚度等調整。
8、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於形成的C-SiC塗層是多層結構的，通過不同 比例的C-SiC靶材進行沉積時，可製備出具有組份梯度的C-SiC塗層，從而獲得更好的阻 氫(氚)性能。
9、 根據權利要求1所述的真空退火，其特徵在於在真空環境下，採用熱退火或電子束退火 以消除殘留在塗層中的氣體，使塗層更緻密。其中，退火溫度為400 700°C,退火時間 為15 30分鐘；電子束退火採用行掃描方式加熱，功率密度為2X10' 8Xl(yw/cm2。
全文摘要
本發明公開了一種C-SiC阻氫(氚)保護塗層製備方法。該方法採用物理氣相沉積技術即磁控濺射結合離子束轟擊混合的技術，在Fe基體上製備具有多層結構的C-SiC塗層，塗層均勻緻密，且與基體具有優良的結合強度，能使基體的阻氫(氚)性能提高3個數量級以上。本發明的步驟為一、拋光清洗後的Fe基體在真空靶室中進一步清除表面的氧化物；二、採用加偏壓的中頻或射頻的磁控濺射技術在基體表面沉積C-SiC；沉積一定厚度的C-SiC後，用離子束轟擊其表面，隨後再沉積C-SiC，再用離子束轟擊；重複此步驟，直至塗層達到預定厚度；三、進行真空退火或電子束掃描處理；四、完成塗層的製備。
文檔編號C23C14/06GK101363110SQ20081004614
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月24日 優先權日2008年9月24日
發明者丁 任, 張瑞謙, 杜紀富, 楊淑琴, 黃寧康 申請人:四川大學