[发明专利]一种Cr-Si-C-N纳米复合涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于涂层的制备方法，具体涉及一种超临界水冷堆燃料包壳表面Cr-Si-C-N纳米复合涂层的制备方法。

背景技术

与煤炭、石油、太阳能、水能等诸多能源相比，核电作为一种高效、经济与持久的能源，在解决全世界面临的能源危机、保护环境质量等方面的综合优势显著。超临界水冷堆具有热效率高、结构简化、安全性好、经济性好等优点。超临界水冷堆燃料包壳材料研究是超临界水冷堆技术研发的关键之一。目前，低肿胀奥氏体不锈钢如D9、1.4970、316Ti等是主要的超临界水冷堆燃料包壳材料，这些材料具有强度高、辐照肿胀低、焊接性好、中子经济较好等优点。然而，上述材料在超临界水中的抗高温氧化腐蚀性能较差，在长期服役过程中，过大的氧化腐蚀速率势必影响燃料包壳的结构完整性。

在超临界水冷堆燃料包壳表面沉积抗高温氧化性能优异的纳米复合涂层，可有效地解决上述难题，这也成为了近年来学术界与工程界的研究热点。在研究初期，人们趋向于在包壳表面沉积Cr合金涂层，由于其与钢基材在界面可形成Fe-Cr化合物，实现化学冶金结合，因而具有很好的涂层/基材结合力。同时，涂层中Cr元素能在表面与腐蚀环境中的O能形成氧化物膜保护层，阻碍腐蚀介质的浸透，从而具有较好的抗高温氧化性能。但是，Cr与其他金属形成的合金涂层在强度、硬度、耐磨性等方面欠缺优势，强烈的高温水热冲击可能导致涂层延性变形，过早失效，如文献[王建平，徐连勇，许永泰，李嘉.FeCrAl和高镍铬合金涂层的抗高温腐蚀性能研究.中国电力，2007，40(4)：54-57]。之后，更多的研究则趋向于关注CrN、TiN及CrAlN等金属氮化物涂层。相对于Cr合金涂层，氮化物涂层在抗腐蚀性能、硬度及耐磨性等方面更具优势。例如，TiN涂层具有较高硬度，约20GPa，其抗氧化温度为400℃～500℃，如文献[宋贵宏，杜昊，贺春林.硬质与超硬涂层-结构、性能、制备与表征，北京：化学工业出版社，2007]；CrN涂层也具有较高的硬度，约18GPa，还具有很好的韧性与抗高温氧化性能，如文献[M.A.Djouadi，C.Nouveau，P.Beer，M.Lambertin.CrxNy hard coatings deposited with PVD method on tools for wood machining.Surface and Coatings Technology，2000，133，478-483]。近几年来，随着纳米技术的迅速发展，纳米复合涂层由于在抗高温氧化、硬度、摩擦磨损、抗热震等性能方面均相对于传统涂层材料具有极为显著的优势，从而引起了研究者的广泛关注。例如，Ti-Al-Si-N纳米复合涂层的硬度可高达45GPa、磨损率可低于1.0×10^-14m²N^-1，如文献[E.Ribeiro，A.Malczyk，S.Carvalho，et al.Effects of ion bombardment on properties of d.c.sputtered superhard(Ti，Si，Al)N nanocomposite coatings.Surface and Coatings Technology，2002，151-152，515-520]；Ti-Si-C-N纳米复合涂层的抗高温氧化温度可达900℃以上，且在高温下其仍然具有优异的力学性能，如涂层硬度值在900℃时可达到约40GPa，如文献[D.Ma，S.Ma，K.Xu.Superhard nanocomposite Ti-Si-C-N coatings prepared by pulsed-d.c plasma enhanced CVD.Surface and Coatings Technology，2005，200，382-386]。诸如此类的研究表明，纳米复合涂层具有更为优异的抗高温氧化腐蚀性能与力学性能。目前，对纳米复合涂层的研究主要包括在以下方面：第一，开发各种元素组元的纳米复合涂层新材料，如Cr-Al-Si-N、Ti-Si-C-N、W-Si-C-N等；第二，合理调控设计涂层组成结构，使其具有(非晶相+纳米晶相)形式的镶嵌结构；第三，优化过渡层材料，以提高纳米复合涂层与基体之间的结合强度等，如文献[P.Holubar，M.Jilek，M.Sima.Present and possible future applications of superhard nanocomposite coatings.Surface and Coatings Technology，2000，133-134，145-151]。