[发明专利]PVD法包覆钽或铌制作耐蚀金属材料的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种PVD法包覆钽或铌制作耐蚀金属材料的工艺。

背景技术

金属腐蚀问题遍及国民经济和国防建设的各个领域，大量的金属部件和装备因腐蚀而报废。设备是化工生产的基础，化工单元操作都要依靠精良的设备来实现，因化工过程几乎离不开升温、降温，且很多反应都是密闭进行的（需要保持一定的压力或者真空），而各种化工原料大都具有一定的腐蚀性，因此制造化工设备的材料要求耐腐蚀、强度高、延展性好。金属材料依其具有较高的强度和良好的延展性使之成为制造化工设备的首选，因此，研究化工设备的防腐主要是研究金属的防腐。在选材方面，要求所选择的防腐涂层对化工设备的热传导能力影响要小，且不能影响化工设备的强度。

在当今时代，随着行业竞争及制造业的不断发展，要求生产过程不仅节约能源、材料，提高资源利用率，而且对环境的负面影响要小。化工设备以其广泛的应用成为节约能源的一个重点，而对化工设备的腐蚀防护则是提高设备利用率、节约成本最直接且最见效的途径，因此,化工设备的防腐成为目前越来越热的一个系统工程。化工设备的防腐主要考虑两个方面：首先，选材要合理。因为耐蚀材料都具有一定的局限性，一定要根据使用的工况选择合适、经济的材料；其次，结构设计和制作工艺方面一定要科学合理，避免由于结构原因造成自然的电化学腐蚀。从经济的角度出发，化工设备多采用碳钢材质，然后根据使用工况进行科学的防腐处理。

金属防腐的方法：一般来说，金属防腐的方法大体有4种。最常见的方法是改变金属的结构。金属的种类很多，一些重金属的化学活性低，不易受到其他物质的腐蚀，也有部分金属与其他金属配合使用能有效提高防腐能力。金属防腐的第二种方法是保护层法，这种防腐方法是在金属的表面制造各种材质的保护层，将金属产品与外界的腐蚀介质隔离开来，从而达到防止腐蚀的效果。金属防腐的保护层可以通过涂抹、喷涂、电镀、热镀、喷镀等方法形成。第三种方法是电化学保护法，它是以原电池理论为原理对金属进行防腐保护。根据原电池理论，只要能够消除引起化学腐蚀的原电池的反应，就可以实现金属的防腐。金属防腐的电化学保护法分为阳极保护和阴极保护两个类别，其中阴极保护应用较多。金属防腐的第四种方法是腐蚀介质处理法。以上4种方法中最常用的是保护层法。金属防腐的保护层法，分为非金属保护层和金属保护层两种。

金属保护层法：金属防腐的保护层还有一种是金属保护层。金属保护层就是通过电镀和喷涂的方法将不易腐蚀的金属，如锌、锡、铬和镍等涂覆在需要保护的金属表面，或者用钝化剂、磷化液等在钢铁表面形成一层致密的氧化膜，从而起到防腐作用。传统的电镀（或者叫热镀锌），近几年出现了冷镀或者浸镀，就是将富锌涂料直接涂覆在设备表面。这些方法主要是镀锌，受到的限制比较大。金属热喷涂在近些年也得到了很大的发展，除传统的氧乙炔火焰喷涂外，现在还有超音速火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、气体爆燃式喷涂等；热喷涂的材料更丰富，粉末、丝材、棒材等都可以进行喷涂，材质也从原来的锌发展到各种金属材料，比如镀金、镀银、镀铜、镀铬、镀镍、彩镀等。金属热喷涂只需用喷枪直接喷涂，工艺简单而且环保、无三废排放、成本低、不用做导电层。对于化工设备，金属热喷涂是一种值得进一步开发和研究的防腐方法。

钽和铌由于具有非常出色的化学性质，具有极高的抗腐蚀性，作为首选材料。无论是在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。可用来制造蒸发器皿等。钽和铌制的抗腐蚀设备用于生产强酸、溴、氨等化学工业。金属钽可作飞机发动机的燃烧室的结构材料。钽钨、钽钨铪、钽铪合金用作火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强材料以及控制和调节装备的零件等。钽易加工成形，在高温真空炉中作支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。现有最好的技术是利用爆炸复合的方法在基体材料上面复合上一层钽（或铌）材料。但这种方法对尺寸较小的容器及管、棒、带材却无能为力。

由于钽、铌等金属具有很高的熔点，因此不适合用金属热喷涂的方式制得防腐层。

发明内容

本发明的目的是提供一种PVD法包覆钽或铌制作耐蚀金属材料的工艺，能够通过物理气相沉积(PVD)方法在金属材料表面镀上钽或铌的抗腐和耐磨层，从而使金属材料具有优异的防腐、耐蚀性能，还可起到表面防护、防腐、延长使用寿命的作用。

一种PVD法包覆钽或铌制作耐蚀金属材料的工艺，其特别之处在于，包括如下步骤：采用磁控溅射的方式，在金属材料基体表面涂覆一层钽或铌保护层。

其中磁控溅射采用磁控溅射沉积系统，所用靶材为纯度99.95及以上的钽靶或铌靶，直径60mm，厚度5～6mm。