[发明专利]一种类金刚石复合涂层及其制造方法和表面结合类金刚石复合涂层的核电零部件

说明书

本发明公开了一种用于核电零部件表面处理的类金刚石复合涂层及其制造方法。本发明类金刚石复合涂层包括一结合于核电零部件表面的氮化物层上形成的Cr/CrC/Ta‑C涂层。本发明充分利用了离子渗氮及渐变层的优点，平滑了核电零部件金属材质与涂层之间的物理性能差异，显著提高核电零部件疲劳强度、耐磨性和膜基结合力，改善耐蚀性和抗磨损性能，从而提高核电零部件的运行可靠性和运行寿命。

技术领域

本发明属于涂层材料制备领域，具体涉及一种含Cr及CrC渐变层的类金刚石复合涂层及其制备方法。

背景技术

腐蚀是影响核电站系统和设备性能及使用寿命的重要因素，它会使系统和设备的稳定运行能力降低，使用寿命缩短，影响核电站的安全运行，并造成巨大的经济损失。选用耐腐蚀材料是管道及设备防腐最根本的方法，核电常用的耐腐蚀材料主要有双相不锈钢、钛、316L不锈钢、树脂等。

双相不锈钢具有较高的机械性能和优异的耐点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀性能。厂用水泵叶轮等与海水接触部件采用了双相不锈钢。钛或者钛合金具有很好的耐腐蚀性能，凝汽器管束、板式换热器热交换板等与海水接触部分材质都是钛，凝汽器管板采用镀钛的方式进行防腐。双相不锈钢、钛等价格十分昂贵，只用在相关设备的关键部位。

316L不锈钢材质不锈钢具有良好的耐点蚀、晶间腐蚀和抗氯化物侵蚀的性能，在海洋环境中抗腐蚀性能大大的优于304不锈钢和304L不锈钢，但实际工程中与海水接触的316L不锈钢点蚀严重，甚至出现泄露。

衬胶碳钢强度高，价格相对较低，但在海水中易被腐蚀，内衬是利用内衬材料将碳钢管道或者设备内的海水与管道内表面隔离开，以达到防止海水腐蚀的目的。常用的内衬材料有橡胶(常用氯丁橡胶)、塑料(常用聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯)。衬胶由于继承了橡胶的优良特性，在耐化学腐蚀的同时耐磨、耐温性能也很突出，而但不耐冲刷腐蚀，易老化脱落。

近年来，物理气相沉积涂层技术已被广泛应用于刀具、模具、精密零部件、装饰涂层等，涂层处理可以增加工件耐腐蚀性、硬度、抗磨力和降低摩擦系数，从而延长工件寿命。目前，主要的涂层包括TiN、TiCN、CrN等，每种涂层各有其不同的特性和用途，以上几种硬质涂层基本具备低的滑动摩擦系数、高的抗磨能力、高的抗接触疲劳能力及高的表面强度，从而保证涂层表面具有足够的尺寸稳定性且基体之间具有高的黏附强度。进入21世纪后，类金刚石涂层(Diamond-like Carbon)以其高硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性受到广泛关注，类金刚石涂层将高硬度、低摩擦系数、耐磨损、抗划伤性、耐腐蚀性、抗粘连、化学稳定性等特性完美地结合，在力学、摩擦学、热学等方面展示出优良特性，可广泛应用于机械、工模具、刀具、航空航天等领域。然而，类金刚石涂层虽具有优异的性能，但其自身内应力大、膜基结合力低、韧性差，在使用过程中容易发生开裂和剥落。目前，世界范围正在研发各种掺杂金属或非金属元素的类金刚石复合涂层的制备方法，所得到的掺杂类金刚石复合涂层的使用性能能够得到显著改善。但由于其具体掺杂成份及结构的不同，类金刚石复合涂层的性能及适用范围有着相当大的差别。

目前，常用的类金刚石复合涂层主要用于防止工具和模具表面的摩擦磨损、残留和腐蚀，但由于基体与涂层之间材料及物理性能往往存在差异，如Ta-C涂层与高速钢基体间热膨胀系数相差1个数量级，在金属材料上直接沉积Ta-C涂层，硬度和弹性模量以及膨胀系数的巨大差异，会导致涂层与基体界面之间产生很高的内应力，膜基结合强度很差，长期工作后仍会在工模具表面造成磨损。

为此，本发明提供了一种用于核电零部件表面处理的类金刚石复合涂层及其制造方法，该复合涂层具有高耐磨性、高结合力和较强的耐酸性塑料腐蚀能力。根据本发明方法制备所得的类金刚石复合涂层应用于核电零部件时，可极大地平滑涂层与基体之间的物理性能差异，显著提高零部件疲劳强度、耐磨性和膜基结合力，改善零部件耐蚀性和抗磨损性能，从而提高核电零部件的运行可靠性和运行寿命。

发明内容