本發(fā)明屬于高溫液態(tài)鉛/鉛鉍環(huán)境下結(jié)構(gòu)鋼材表面腐蝕防護(hù)技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

　　世界上運(yùn)行的核電站基本都為熱中子反應(yīng)堆，消耗易裂變的235u，對鈾資源的利用率極低?？熘凶臃磻?yīng)堆(簡稱快堆)由快中子引發(fā)裂變反應(yīng)，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(yīng)堆具有諸多優(yōu)勢：(1)pb和bi的原子質(zhì)量遠(yuǎn)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(diǎn)高(約1670℃)，不易產(chǎn)生空泡。如果采用先進(jìn)的耐熱材料，冷卻劑出口溫度可以提高至800℃，能實(shí)現(xiàn)制氫等更廣泛的應(yīng)用；(3)具有化學(xué)惰性，與水接觸不存在類似鈉-水反應(yīng)這種危險(xiǎn)；(4)優(yōu)良的傳熱性能，可以將反應(yīng)堆中的核反應(yīng)熱量迅速傳遞出去。以液態(tài)鉛或鉛鉍為冷卻劑的反應(yīng)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(gè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)示范和商業(yè)化應(yīng)用的第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)。

　　在液態(tài)鉛(pb)或鉛鉍(pb-bi)冷卻反應(yīng)堆中，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)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(fù)雜的化學(xué)和物理過程對反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料造成嚴(yán)重的腐蝕破壞，嚴(yán)重危及反應(yīng)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(yīng)形成薄而致密的氧化物保護(hù)膜，能在一定程度上減弱和抑制腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展。但在較高溫度的液態(tài)鉛或鉛鉍中，結(jié)構(gòu)材料被嚴(yán)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(gòu)鋼材外，使用涂層材料也是解決關(guān)鍵部件腐蝕的一個(gè)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(qiáng)，能優(yōu)先與液態(tài)鉛或鉛鉍中的氧結(jié)合反應(yīng)生成穩(wěn)定的氧化物，al元素通過擴(kuò)散在表面選擇性地氧化生成一層氧化物保護(hù)膜。氧化物生長速度緩慢，同時(shí)在機(jī)械損傷、應(yīng)力開裂的情況下自修復(fù)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(shí)的600℃流動液態(tài)鉛鉍腐蝕實(shí)驗(yàn)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(shí)流動液態(tài)鉛鉍腐蝕、應(yīng)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(dǎo)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(shè)備昂貴，工藝相對較復(fù)雜且成本較高，國內(nèi)尚無同時(shí)滿足使用要求的機(jī)構(gòu)。

　　技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

　　為了解決上述技術(shù)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(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)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(gòu)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(gòu)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(dá)到10-4～10-5pa后開始進(jìn)行濺射，調(diào)節(jié)進(jìn)入磁控濺射腔內(nèi)的氬氣流量并使氬氣進(jìn)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(shí)間2～10小時(shí)；

　　步驟3，濺射結(jié)束后，將表面濺射有fecraly涂層的結(jié)構(gòu)鋼材在氮?dú)鈿夥障略换虍愇煌嘶?～5小時(shí)，退火溫度600～850℃。

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

　　進(jìn)一步的優(yōu)選方案：所述步驟1中結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)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(gè)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(dāng)采用金屬單質(zhì)靶材時(shí)，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(dāng)使用合金靶材進(jìn)行磁控濺射時(shí)，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(gòu)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(gòu)鋼材，利于后續(xù)在結(jié)構(gòu)鋼材表面獲得fecraly涂層；步驟2中相應(yīng)工藝參數(shù)的選擇是獲得致密的fecraly涂層的關(guān)鍵技術(shù)，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(gòu)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(yīng)力以及增強(qiáng)fecraly涂層與結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shí)間、退火時(shí)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(shí)施例1獲得的fecraly涂層表面掃描電子顯微鏡照片。

　　圖2是實(shí)施例1獲得的fecraly涂層斷面掃描電子顯微鏡照片。

　　圖3是實(shí)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(shí)施方式

　　下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案做出更為具體的說明：

　　實(shí)施例一

　　步驟1，將結(jié)構(gòu)鋼材(奧氏體不銹鋼)基體材料加工成合適大小的樣品。實(shí)驗(yàn)前，結(jié)構(gòu)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(gòu)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(dá)到3×10-5pa后開始濺射，調(diào)節(jié)氬氣流量使進(jìn)氣壓力為3pa，磁控濺射電流20a，脈沖偏壓-60v，磁控濺射3小時(shí)。

　　步驟3：濺射結(jié)束后，將表面濺射有fecraly涂層的結(jié)構(gòu)鋼材在氮?dú)鈿夥障略煌嘶?小時(shí)，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(yīng)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(gè)不同位置進(jìn)行x射線能譜分析，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，涂層組分均勻一致，與合金靶材成分很接近。

　　實(shí)施例二

　　步驟1：將結(jié)構(gòu)鋼材(鐵素體/馬氏體鋼)基體材料加工成合適大小的樣品。實(shí)驗(yàn)前，結(jié)構(gòu)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(gòu)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(dá)到3×10-5pa后開始濺射，調(diào)節(jié)氬氣流量使進(jìn)氣壓力為3pa，磁控濺射電流20a，脈沖偏壓-60v，磁控濺射3小時(shí)。

　　步驟3：濺射結(jié)束后，將表面濺射有fecraly涂層的結(jié)構(gòu)鋼材在氮?dú)鈿夥障略煌嘶?小時(shí)，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(yīng)力。

　　實(shí)施例三

　　步驟1：將結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)前，結(jié)構(gòu)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(gòu)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(dá)到3×10-5pa后開始濺射，調(diào)節(jié)氬氣流量使進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，本實(shí)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(gòu)鋼材在氮?dú)鈿夥障略煌嘶?小時(shí)，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(yīng)力。

　　實(shí)施例四

　　步驟1：將結(jié)構(gòu)鋼材(奧氏體不銹鋼)基體材料加工成合適大小的樣品。實(shí)驗(yàn)前，結(jié)構(gòu)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(gòu)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(dá)到10-4pa后開始濺射，調(diào)節(jié)氬氣流量使進(jìn)氣壓力為10pa，磁控濺射電流25a，脈沖偏壓-200v，磁控濺射10小時(shí)。

　　步驟3：濺射結(jié)束后，將表面濺射有fecraly涂層的結(jié)構(gòu)鋼材在氮?dú)鈿夥障略煌嘶?小時(shí)，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(yīng)力。

　　實(shí)施例五

　　步驟1：將結(jié)構(gòu)鋼材(奧氏體不銹鋼)基體材料加工成合適大小的樣品。實(shí)驗(yàn)前，結(jié)構(gòu)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(gòu)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(dá)到10-5pa后開始濺射，調(diào)節(jié)氬氣流量使進(jìn)氣壓力為8pa，磁控濺射電流10a，脈沖偏壓-100v，磁控濺射2小時(shí)。

　　步驟3：濺射結(jié)束后，將表面濺射有fecraly涂層的結(jié)構(gòu)鋼材在氮?dú)鈿夥障略煌嘶?小時(shí)，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(yīng)力。