本發(fā)明屬于高溫液態(tài)鉛/鉛鉍環(huán)境下結(jié)構鋼材表面腐蝕防護技術領域，具體是涉及一種耐高溫液態(tài)鉛或鉛鉍腐蝕的fecraly涂層及其制備方法。

　　背景技術：

　　世界上運行的核電站基本都為熱中子反應堆，消耗易裂變的235u，對鈾資源的利用率極低?？熘凶臃磻?簡稱快堆)由快中子引發(fā)裂變反應，可以將熱中子堆不能使用的238u轉(zhuǎn)化為易裂變的239pu并加以利用，從理論可以將鈾資源的利用率提高至100％，比熱堆中的壓水堆鈾利用率高140倍，從而可以利用有限的鈾資源為人類社會提供更多的核電能量。

　　在快堆中，采用he氣、液態(tài)金屬na、液態(tài)鉛鉍合金(pb-bi)或pb作冷卻劑都可以獲得快中子能譜。與其他冷卻劑相比，鉛鉍合金或鉛冷卻反應堆具有諸多優(yōu)勢：(1)pb和bi的原子質(zhì)量遠大于na，對中子的慢化截面小，可以增大冷卻劑/燃料的體積比，降低堆芯的功率密度；中子俘獲截面小且變化平緩；(2)沸點高(約1670℃)，不易產(chǎn)生空泡。如果采用先進的耐熱材料，冷卻劑出口溫度可以提高至800℃，能實現(xiàn)制氫等更廣泛的應用；(3)具有化學惰性，與水接觸不存在類似鈉-水反應這種危險；(4)優(yōu)良的傳熱性能，可以將反應堆中的核反應熱量迅速傳遞出去。以液態(tài)鉛或鉛鉍為冷卻劑的反應堆是現(xiàn)代核能系統(tǒng)中最具有發(fā)展?jié)摿Φ亩研?，也是有望成為首個實現(xiàn)工業(yè)示范和商業(yè)化應用的第四代先進核能系統(tǒng)。

　　在液態(tài)鉛(pb)或鉛鉍(pb-bi)冷卻反應堆中，反應堆結(jié)構材料(如316l、t91、ep823、simp等)將與高溫液態(tài)鉛或鉛鉍直接接觸，高溫流動的液態(tài)鉛或鉛鉍會通過一系列復雜的化學和物理過程對反應堆結(jié)構材料造成嚴重的腐蝕破壞，嚴重危及反應堆的安全和使用壽命。在一定的溫度及氧含量范圍內(nèi)，液態(tài)鉛或鉛鉍中的氧只與材料表面的某些元素反應形成薄而致密的氧化物保護膜，能在一定程度上減弱和抑制腐蝕的進一步發(fā)展。但在較高溫度的液態(tài)鉛或鉛鉍中，結(jié)構材料被嚴重氧化并且不能抑制溶解腐蝕的發(fā)生。目前的解決方法除了開發(fā)合適的結(jié)構鋼材外，使用涂層材料也是解決關鍵部件腐蝕的一個重要解決方案。

　　目前液態(tài)鉛或鉛鉍防腐蝕涂層材料主要有三種類型：難熔金屬涂層；氧化物、氮化物等陶瓷涂層；鋁化物合金涂層。al與氧的親和能力最強，能優(yōu)先與液態(tài)鉛或鉛鉍中的氧結(jié)合反應生成穩(wěn)定的氧化物，al元素通過擴散在表面選擇性地氧化生成一層氧化物保護膜。氧化物生長速度緩慢，同時在機械損傷、應力開裂的情況下自修復愈合，保證了其長期服役過程中的有效性和可靠性。鋁化物合金涂層中，耐腐蝕性能表現(xiàn)最為突出的為fecraly涂層。weisenburger等人采用低壓等離子噴涂和高能脈沖電子束重熔工藝在316ti鋼表面制備的fecraly涂層，經(jīng)過1.6萬小時的600℃流動液態(tài)鉛鉍腐蝕實驗后，涂層無任何可見的腐蝕和氧化。采用同樣工藝在t91鋼表面制備的fecraly涂層經(jīng)過900小時流動液態(tài)鉛鉍腐蝕、應力載荷以及質(zhì)子輻照的協(xié)同作用后涂層表面無損傷痕跡。

　　低壓等離子噴涂可以制備fecraly涂層，但涂層表面粗糙度取決于噴涂粉末顆粒的尺寸，粗大的顆粒尺寸得到粗糙的表面。噴涂獲得涂層中的孔隙率較大，且一般是封閉的，需要通過高能脈沖電子束重熔等工藝減少涂層中的孔洞，以提高涂層的耐腐蝕性。另外，低壓等離子噴涂結(jié)合脈沖電子束重熔的工藝，會導致涂層最終組分和噴涂粉末組分發(fā)生很大的改變，不利于涂層質(zhì)量控制。而且低壓等離子噴涂和高能脈沖電子束重熔設備昂貴，工藝相對較復雜且成本較高，國內(nèi)尚無同時滿足使用要求的機構。

　　技術實現(xiàn)要素：

　　為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種耐高溫液態(tài)鉛或鉛鉍腐蝕的fecraly涂層的制備方法。該制備方法工藝簡單且成本較低，非常適合工業(yè)化應用。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：

　　一種耐高溫液態(tài)鉛或鉛鉍腐蝕的fecraly涂層的制備方法，包括以下步驟：

　　步驟1，將結(jié)構鋼材表面經(jīng)過打磨或噴砂處理后超聲清洗，之后取出干燥待用；

　　步驟2，利用非平衡磁控濺射法制備fecraly涂層：將清洗干凈的結(jié)構鋼材置于磁控濺射腔中，并固定好金屬單質(zhì)靶材或合金靶材，然后開啟真空泵，待磁控濺射腔內(nèi)真空度達到10-4～10-5pa后開始進行濺射，調(diào)節(jié)進入磁控濺射腔內(nèi)的氬氣流量并使氬氣進氣壓力在3～10pa，控制磁控濺射電流1～25a，脈沖偏壓-50～-200v，磁控濺射時間2～10小時；

　　步驟3，濺射結(jié)束后，將表面濺射有fecraly涂層的結(jié)構鋼材在氮氣氣氛下原位或異位退火2～5小時，退火溫度600～850℃。

　　進一步的優(yōu)選方案：所述步驟1中結(jié)構鋼材為奧氏體不銹鋼、鐵素體/馬氏體鋼以及低活化鐵素體/馬氏體鋼中的任一種。

　　進一步的優(yōu)選方案：所述步驟1中結(jié)構鋼材牌號為316l、316ti、t91、simp、ep823中的任一種。

　　進一步的優(yōu)選方案：所述步驟1中結(jié)構鋼材表面經(jīng)過打磨或噴砂處理后，放入乙醇和丙酮溶液中分別超聲清洗5～10min。

　　進一步的優(yōu)選方案：所述步驟2東锜屬單質(zhì)靶材包括鐵靶材、鉻靶材、鋁靶材以及釔靶材。

　　進一步的優(yōu)選方案：所述步驟2中合金靶材組分包括9～15wt％cr、4～12wt％al，0.3～0.5wt％y，其余為fe。

　　本發(fā)明的另一個目的是提供一種由所述制備方法制備獲得的耐高溫液態(tài)鉛/鉛鉍腐蝕的fecraly涂層。

　　本發(fā)明的有益效果在于：

　　(1)本發(fā)明制備方法所得fecraly涂層成分容易調(diào)整，當采用金屬單質(zhì)靶材時，通過調(diào)節(jié)不同成分金屬單質(zhì)靶材的濺射功率即可獲得不同組分的fecraly涂層；當使用合金靶材進行磁控濺射時，即可獲得和合金靶材成分非常接近的fecraly涂層；本發(fā)明制備所得的fecraly涂層各組分含量滿足要求。本發(fā)明使用磁控濺射獲得的fecraly涂層非常致密，表面粗糙度低，和結(jié)構鋼材表面結(jié)合好，且fecraly涂層致密性好，無需后續(xù)重熔處理等工藝。本發(fā)明制備方法工藝簡單且成本較低，操作方便。

　　(2)本發(fā)明步驟1是為了獲得表面清潔的結(jié)構鋼材，利于后續(xù)在結(jié)構鋼材表面獲得fecraly涂層；步驟2中相應工藝參數(shù)的選擇是獲得致密的fecraly涂層的關鍵技術，即選擇使用非平衡磁控濺射法，可以在低溫下獲得致密、與結(jié)構鋼材表面結(jié)合好的fecraly涂層；步驟3可以提高fecraly涂層的結(jié)晶性、減少內(nèi)應力以及增強fecraly涂層與結(jié)構鋼材的結(jié)合力。本發(fā)明步驟1、步驟2、步驟3中的操作以及相應工藝參數(shù)的選擇(比如：氬氣流量、磁控濺射電流、脈沖偏壓、磁控濺射時間、退火時間、退火溫度)，對于獲得高質(zhì)量且在高溫液態(tài)鉛/鉛鉍中具有耐腐蝕性能的fecraly涂層非常重要，缺一不可。

　　附圖說明

　　圖1是實施例1獲得的fecraly涂層表面掃描電子顯微鏡照片。

　　圖2是實施例1獲得的fecraly涂層斷面掃描電子顯微鏡照片。

　　圖3是實施例1獲得的fecraly涂層不同位置的x射線能譜結(jié)果。

　　具體實施方式

　　下面結(jié)合實施例對本發(fā)明技術方案做出更為具體的說明：

　　實施例一

　　步驟1，將結(jié)構鋼材(奧氏體不銹鋼)基體材料加工成合適大小的樣品。實驗前，結(jié)構鋼材表面經(jīng)過砂紙打磨后，放入乙醇和丙酮的溶液中各超聲清洗8分鐘后，取出干燥后待用。

　　步驟2，利用非平衡磁控濺射法制備fecraly涂層：將清洗干凈的結(jié)構鋼材固定在樣品架上放入磁控濺射腔中，將合金靶材(組分為cr15wt％，al11wt％，y0.5wt％，其余為鐵)放入靶托中固定好，開啟真空泵，待磁控濺射腔內(nèi)真空達到3×10-5pa后開始濺射，調(diào)節(jié)氬氣流量使進氣壓力為3pa，磁控濺射電流20a，脈沖偏壓-60v，磁控濺射3小時。

　　步驟3：濺射結(jié)束后，將表面濺射有fecraly涂層的結(jié)構鋼材在氮氣氣氛下原位退火3小時，退火溫度600℃，以提高涂層組分的均勻性和結(jié)晶性，減少內(nèi)應力。

　　利用上述步驟制備的fecraly涂層，其表面掃描電子顯微鏡照片和斷面掃描電子顯微鏡照片分別如圖1和圖2所示，可以看出涂層非常致密，表面無孔洞和裂紋，厚度為3.8微米。選擇fecraly涂層四個不同位置進行x射線能譜分析，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯繉咏M分均勻一致，與合金靶材成分很接近。

　　實施例二

　　步驟1：將結(jié)構鋼材(鐵素體/馬氏體鋼)基體材料加工成合適大小的樣品。實驗前，結(jié)構鋼材表面經(jīng)過砂紙打磨后，放入乙醇和丙酮的溶液中各超聲清洗5分鐘后，取出干燥后待用。

　　步驟2：利用非平衡磁控濺射法制備fecraly涂層：將清洗干凈的結(jié)構鋼材固定在樣品架上放入磁控濺射腔中，將合金靶材(組分為cr15wt％，al8wt％，y0.5wt％，其余為鐵)放入靶托中固定好，開啟真空泵，待磁控濺射腔內(nèi)真空達到3×10-5pa后開始濺射，調(diào)節(jié)氬氣流量使進氣壓力為3pa，磁控濺射電流20a，脈沖偏壓-60v，磁控濺射3小時。

　　步驟3：濺射結(jié)束后，將表面濺射有fecraly涂層的結(jié)構鋼材在氮氣氣氛下原位退火3小時，退火溫度600℃，以提高涂層組分的均勻性和結(jié)晶性，減少內(nèi)應力。

　　實施例三

　　步驟1：將結(jié)構鋼材(低活化鐵素體/馬氏體鋼)基體材料加工成合適大小的樣品。實驗前，結(jié)構鋼材表面經(jīng)過砂紙打磨后，放入乙醇和丙酮的溶液中各超聲清洗10分鐘后，取出干燥后待用。

　　步驟2：利用非平衡磁控濺射法制備fecraly涂層：將清洗干凈的結(jié)構鋼材固定在樣品架上放入濺射腔中，將鐵靶材、鋁靶材、鉻靶材和釔靶材放入靶托中固定好，開啟真空泵，待磁控濺射腔內(nèi)真空達到3×10-5pa后開始濺射，調(diào)節(jié)氬氣流量使進氣壓力為3pa，磁控濺射電流20a，脈沖偏壓-60v，fecraly涂層組分比通過對鐵靶材、鋁靶材、鉻靶材和釔靶材的濺射功率分別進行調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，本實施例中鐵靶材、鋁靶材、鉻靶材和釔靶材的濺射功率分別為120w,120w,120w和100w。

　　步驟3：濺射結(jié)束后，將表面濺射有fecraly涂層的結(jié)構鋼材在氮氣氣氛下原位退火3小時，退火溫度800℃，以提高涂層組分的均勻性和結(jié)晶性，減少內(nèi)應力。

　　實施例四

　　步驟1：將結(jié)構鋼材(奧氏體不銹鋼)基體材料加工成合適大小的樣品。實驗前，結(jié)構鋼材表面經(jīng)過砂紙打磨后，放入乙醇和丙酮的溶液中各超聲清洗8分鐘后，取出干燥后待用。

　　步驟2：利用非平衡磁控濺射法制備fecraly涂層：將清洗干凈的結(jié)構鋼材固定在樣品架上放入磁控濺射腔中，將合金靶材(組分為cr9wt％，al4wt％，y0.3wt％，其余為鐵)放入靶托中固定好，開啟真空泵，待磁控濺射腔內(nèi)真空達到10-4pa后開始濺射，調(diào)節(jié)氬氣流量使進氣壓力為10pa，磁控濺射電流25a，脈沖偏壓-200v，磁控濺射10小時。

　　步驟3：濺射結(jié)束后，將表面濺射有fecraly涂層的結(jié)構鋼材在氮氣氣氛下原位退火5小時，退火溫度850℃，以提高涂層組分的均勻性和結(jié)晶性，減少內(nèi)應力。

　　實施例五

　　步驟1：將結(jié)構鋼材(奧氏體不銹鋼)基體材料加工成合適大小的樣品。實驗前，結(jié)構鋼材表面經(jīng)過砂紙打磨后，放入乙醇和丙酮的溶液中各超聲清洗8分鐘后，取出干燥后待用。

　　步驟2：利用非平衡磁控濺射法制備fecraly涂層：將清洗干凈的結(jié)構鋼材固定在樣品架上放入磁控濺射腔中，將合金靶材(組分為cr12wt％，al6wt％，y0.4wt％，其余為鐵)放入靶托中固定好，開啟真空泵，待磁控濺射腔內(nèi)真空達到10-5pa后開始濺射，調(diào)節(jié)氬氣流量使進氣壓力為8pa，磁控濺射電流10a，脈沖偏壓-100v，磁控濺射2小時。

　　步驟3：濺射結(jié)束后，將表面濺射有fecraly涂層的結(jié)構鋼材在氮氣氣氛下原位退火4小時，退火溫度700℃，以提高涂層組分的均勻性和結(jié)晶性，減少內(nèi)應力。