本發(fā)明涉及一種阻氚涂層的制備方法，特別涉及氣體脈沖反應(yīng)濺射法制備Al₂O₃阻氚涂層的方法。

背景技術(shù)：

聚變能在清潔性、安全性和燃料儲(chǔ)量豐富性等方面展現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)備受矚目，隨著國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)的建造及相關(guān)研究的深入，聚變能走向應(yīng)用的核心技術(shù)載體—包層的結(jié)構(gòu)、材料設(shè)計(jì)成為研究熱點(diǎn)。其中，由于D-T熱核反應(yīng)的重要燃料—氚具有極強(qiáng)的滲透、擴(kuò)散性，加之高溫、高熱負(fù)荷、輻照等復(fù)雜環(huán)境，極易導(dǎo)致包層中氚增殖區(qū)域結(jié)構(gòu)材料(如低活性鐵素體馬氏體鋼)發(fā)生氫損傷，影響材料性能，降低包層在反應(yīng)堆中的功效；同時(shí)昂貴的氚的流失還會(huì)對(duì)環(huán)境及設(shè)備造成放射性污染。因此，產(chǎn)氚包層模塊結(jié)構(gòu)材料的阻氚滲透問(wèn)題引起國(guó)際關(guān)注。

近年，國(guó)際上提出在結(jié)構(gòu)材料表面涂覆阻氚滲透涂層(TPB)方法降低氚滲透、擴(kuò)散。其中，α-Al₂O₃陶瓷阻擋層由于具有高的滲透減低/下降因子(PRF)、高耐磨性、高熔點(diǎn)、高化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的導(dǎo)熱率與電阻率等綜合性能從而被認(rèn)為最具有應(yīng)用潛力。然而α-Al₂O₃相形核和長(zhǎng)大需要的高溫(通常大于1000℃)將引起基體材料機(jī)械性能嚴(yán)重下降，同時(shí)高溫下制備涂層易產(chǎn)生熱應(yīng)力、熱裂紋、粗晶等嚴(yán)重影響涂層質(zhì)量。因此降低穩(wěn)相α-Al₂O₃的形成溫度、抑制基體氧化，是聚變堆用氧化鋁涂層制備技術(shù)研究中的重要內(nèi)容。

物理氣相沉積可在較低溫度甚至室溫下制備涂層，是降低穩(wěn)態(tài)氧化鋁相變的有效手段。研究表明，晶界可為穩(wěn)態(tài)氧化鋁相形核和長(zhǎng)大的過(guò)程中的鋁和氧的擴(kuò)散提供更多的通道，有利于氧化鋁的形成。多層結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)涂層較勻質(zhì)、單層結(jié)構(gòu)涂層則具有較高的晶界密度。多層涂層還可通過(guò)在沉積過(guò)程中打亂貫穿基底到涂層的柱狀生長(zhǎng)、細(xì)化涂層晶粒，制得納米晶結(jié)構(gòu)可大大提升涂層的界面富集程度。梯度涂層則是使涂層與基體的突變界面變成一個(gè)平滑、連續(xù)過(guò)渡的區(qū)域，由于成分變化，這個(gè)區(qū)域里面會(huì)存在大量微觀界面，同時(shí)這種梯度變化還會(huì)改善涂層與基體之間熱膨脹和晶格的差異性，降低界面與薄膜內(nèi)應(yīng)力。因此，多層或梯度結(jié)構(gòu)涂層因可通過(guò)界面調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)改性、抗氧化性能提升而備受關(guān)注。

反應(yīng)磁控濺射法可通過(guò)控制反應(yīng)氣體工藝參數(shù)制備結(jié)構(gòu)及成分不同的多功能涂層，尤其是梯度或多層結(jié)構(gòu)涂層。如可通過(guò)改變反應(yīng)氣體O₂含量，可制備成分梯度變化的Al₂O₃涂層；可通過(guò)不斷交替變換反應(yīng)氣氛(Ar和Ar+O₂)制得Al/Al₂O₃多層結(jié)構(gòu)涂層。然而，目前未有研究將梯度與多層結(jié)構(gòu)融合，制備新型雜化涂層進(jìn)一步提升涂層性能或?qū)ふ也牧闲绿匦浴?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：提供一種制備具有多層與梯度雜化結(jié)構(gòu)的Al₂O₃阻氚涂層制備方法，本工藝操作簡(jiǎn)單，制得的涂層退火后α-Al₂O₃更容易成相，基底氧化被抑制。

本發(fā)明目的通過(guò)氣體脈沖反應(yīng)濺射方法實(shí)現(xiàn)，具體步驟如下：

(1)基片預(yù)處理

用180#、240#、600#、1000#、1200#水砂紙由粗到細(xì)依次打磨CLF-1基片，打磨光滑后依次用1μm金剛石拋光劑、W1拋光粉、W1拋光膏拋光，電解拋光，除油，酸洗，最后用去離子水沖洗干凈后吹干待用；除油劑配方組成為碳酸鈉160g/L、檸檬酸鈉45g/L、活性劑5g/L、磷酸鈉50g/L。

(2)偏壓反濺清洗

將真空多功能磁控濺射設(shè)備放氣至真空腔真空度為大氣壓，打開真空腔，將步驟(1)處理后的CLF-1圓片置于真空腔樣品臺(tái)上，先機(jī)械泵抽低真空，后分子泵抽高真空至真空度為5×10^-4Pa后，偏壓反濺清洗，反濺偏壓為-800V，工作氣體為Ar氣，反濺氣壓為1Pa、清洗時(shí)間為10min。

(3)預(yù)濺射

將高真空多功能磁控濺射設(shè)備的Al靶迅速起輝，濺射功率為100W，起輝后關(guān)閉擋板，對(duì)靶材預(yù)濺射5min。

(4)濺射Al₂O₃阻氚涂層

調(diào)整Al靶濺射功率至100W，濺射氣壓0.6～0.8Pa，工作氣氛為Ar，流量為51～150sccm，反應(yīng)氣體為O₂，最大脈沖流量為17～50sccm，Ar/O流量比為3:1，脈沖周期為10～30min，循環(huán)次數(shù)為5～15次，偏壓工作電壓-200V，打開高真空多功能磁控濺射設(shè)備Al靶擋板后，濺射沉積Al₂O₃；所述Al靶純度為99.999％。

(5)涂層退火處理

將帶有沉積涂層的CLF-1基片從真空室取出放入退火爐中，在Ar氣氛條件下進(jìn)行退火處理，退火溫度為1000℃，升溫速率為5℃/min，保溫2h，隨爐冷卻至室溫取出。

作為優(yōu)選方式，所述步驟(4)中O₂脈沖周期為20min，循環(huán)次數(shù)為10次。

所述基體為CLF-1低活性鐵素體馬氏體鋼。

在多層、梯度涂層研究基礎(chǔ)上，本發(fā)明首次提出利用氣體脈沖反應(yīng)濺射法(RGP)，通過(guò)周期性改變O₂流量，制得同時(shí)具有成分梯度和多層雙相雜化結(jié)構(gòu)的新型Al₂O₃涂層，該結(jié)構(gòu)涂層退火后α-Al₂O₃更容易成相，基體氧化被抑制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)可制得同時(shí)具有成分梯度及多層雙相雜化結(jié)構(gòu)的Al₂O₃阻氚涂層；

(2)工藝操作簡(jiǎn)單，僅將反應(yīng)氣體O₂流量設(shè)置為脈沖周期性變化即可，重復(fù)性強(qiáng)；

(3)本發(fā)明利用氣體脈沖反應(yīng)濺射制得的Al₂O₃涂層退火后α-Al₂O₃更容易成相，在相轉(zhuǎn)變過(guò)程中基體材料氧化得到有效抑制。

附圖說(shuō)明

圖1是反應(yīng)氣O₂脈沖周期性變化示意圖；

圖2是實(shí)施例1制備的Al₂O₃阻氚涂層的FESEM截面圖；

圖3是實(shí)施例1制備的Al₂O₃阻氚涂層的能譜分析圖；

圖4是實(shí)施例1制備的Al₂O₃阻氚涂層退火后的XRD圖；

圖5是實(shí)施例2制備的Al₂O₃阻氚涂層退火后的XRD圖；

具體實(shí)施方式：

下列非限制性實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明。

實(shí)施例1：

(1)基片預(yù)處理

用180#、240#、600#、1000#、1200#水砂紙由粗到細(xì)依次打磨CLF-1基片，打磨光滑后依次用1μm金剛石拋光劑、W1拋光粉、W1拋光膏拋光，電解拋光，除油，酸洗，最后用去離子水沖洗干凈后吹干待用；除油劑配方組成為碳酸鈉160g/L、檸檬酸鈉45g/L、活性劑5g/L、磷酸鈉50g/L。

(2)偏壓反濺清洗

將真空多功能磁控濺射設(shè)備放氣至真空腔真空度為大氣壓，打開真空腔，將步驟(1)處理后的CLF-1圓片置于真空腔樣品臺(tái)上，先機(jī)械泵抽低真空，后分子泵抽高真空至真空度為5×10^-4Pa后，偏壓反濺清洗，反濺偏壓為-800V，工作氣體為Ar氣，反濺氣壓為1Pa、清洗時(shí)間為10min。

(3)預(yù)濺射

將高真空多功能磁控濺射設(shè)備的Al靶迅速起輝，濺射功率為100W，起輝后關(guān)閉擋板，對(duì)靶材預(yù)濺射5min。

(4)濺射Al₂O₃阻氚涂層

調(diào)整Al靶濺射功率至100W，濺射氣壓0.6～0.8Pa，工作氣氛為Ar，流量為51sccm，反應(yīng)氣體為O₂，最大脈沖流量為17，Ar/O流量比為3:1，脈沖周期為20，循環(huán)次數(shù)為10次，偏壓工作電壓-200V，打開高真空多功能磁控濺射設(shè)備Al靶擋板后，濺射沉積Al₂O₃；所述Al靶純度為99.999％。如圖1所示，反應(yīng)氣O₂脈沖周期性變化示意圖。

(5)涂層退火處理

將帶有沉積涂層的CLF-1基片從真空室取出放入退火爐中，在Ar氣氛條件下進(jìn)行退火處理，退火溫度為1000℃，升溫速率為5℃/min，保溫2h，隨爐冷卻至室溫取出。用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)未退火的Al₂O₃阻氚涂層進(jìn)行截面分析，如圖2所示，所得涂層具有多層結(jié)構(gòu)；對(duì)未退火的Al₂O₃阻氚涂層截面進(jìn)行元素線掃描，如圖3所示，所得涂層Al、O元素含量隨著涂層深度在周期性變化，證明該涂層為成分梯度涂層。結(jié)合圖2、3綜合分析可知，本發(fā)明用脈沖氣體反應(yīng)濺射制備的Al₂O₃阻氚涂層具有多層及成分梯度雙相雜化結(jié)構(gòu)。退火后，該雜化Al₂O₃涂層很容易轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性能更為優(yōu)異的α-Al₂O₃相，如圖4所示，基體氧化不明顯。

實(shí)施例2：

(1)基片預(yù)處理

用180#、240#、600#、1000#、1200#水砂紙由粗到細(xì)依次打磨CLF-1基片，打磨光滑后依次用1μm金剛石拋光劑、W1拋光粉、W1拋光膏拋光，電解拋光，除油，酸洗，最后用去離子水沖洗干凈后吹干待用；除油劑配方組成為碳酸鈉160g/L、檸檬酸鈉45g/L、活性劑5g/L、磷酸鈉50g/L。

(2)偏壓反濺清洗

將真空多功能磁控濺射設(shè)備放氣至真空腔真空度為大氣壓，打開真空腔，將步驟(1)處理后的CLF-1圓片置于真空腔樣品臺(tái)上，先機(jī)械泵抽低真空，后分子泵抽高真空至真空度為5×10^-4Pa后，偏壓反濺清洗，反濺偏壓為-800V，工作氣體為Ar氣，反濺氣壓為1Pa、清洗時(shí)間為10min。

(3)預(yù)濺射

將高真空多功能磁控濺射設(shè)備的Al靶迅速起輝，濺射功率為100W，起輝后關(guān)閉擋板，對(duì)靶材預(yù)濺射5min。

(4)濺射Al₂O₃阻氚涂層

調(diào)整Al靶濺射功率至100W，濺射氣壓0.6～0.8Pa，工作氣氛為Ar，流量為150sccm，反應(yīng)氣體為O₂，最大脈沖流量為50，Ar/O流量比為3:1，脈沖周期為20，循環(huán)次數(shù)為10次，偏壓工作電壓-200V，打開高真空多功能磁控濺射設(shè)備Al靶擋板后，濺射沉積Al₂O₃；所述Al靶純度為99.999％。

(5)涂層退火處理

將帶有沉積涂層的CLF-1基片從真空室取出放入退火爐中，在Ar氣氛條件下進(jìn)行退火處理，退火溫度為1000℃，升溫速率為5℃/min，保溫2h，隨爐冷卻至室溫取出。用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)未退火的Al₂O₃阻氚涂層進(jìn)行截面分析、元素線掃描，分析結(jié)果與案例1一致，涂層仍同時(shí)具有多層及成分梯度雜化結(jié)構(gòu)。退火后，該雜化Al₂O₃涂層轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性能更為優(yōu)異的α-Al₂O₃相，如圖5所示，基體氧化不明顯。