一种自修复抗微动磨损涂层及其制备方法

本发明涉及材料表面防护，具体涉及一种自修复抗微动磨损涂层及其制备方法。

背景技术：

1、在核电发展过程中，核反应堆安全是核安全的重要组成部分，影响到国家安全，燃料包壳作为核反应堆第一道也是最重要的安全屏障，其重要性是毋庸置疑的。因此，各国学者致力于开发经济、耐腐蚀、耐磨损、耐辐照的事故容错燃料包壳材料。其中，在锆合金包壳上制备相关涂层和涂层厚度，可以在不改变锆合金服役条件的同时提升其性能，相较于开发新的包壳材料，涂层包壳更经济且更易实现。

2、cn115725932b提供了一种耐磨损材料及其制备方法，通过控制纳米fe2o3颗粒涂层的厚度与孔隙率，使其在施加正应力的磨损过程中，软金属涂层中的软金属被挤压进入纳米fe2o3颗粒涂层的间隙，实现对纳米fe2o3颗粒的包裹粘结，保护纳米fe2o3颗粒涂层不易剥落，提高磨损材料的微动疲劳寿命。cn113388811b涉及一种事故容错燃料包壳用双层cr/cr2alc涂层及其制备方法，在锆合金表面进行双层涂层涂敷可以有效改善锆合金包壳在正常运行工况和事故工况下的防护能力，可显著改善核燃料系统运行的可靠性和安全性。

3、以上发明专利均制备单层或双层涂层来优化燃料包壳耐磨损性能，涂层厚度配比固定。因此，本发明专利通过找到梯度自修复多层抗微动涂层厚度配比，解决涂层太薄易快速磨穿、太厚内应力过大微动剥落的问题，以进一步提高燃料包壳的耐磨损性能。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种优化层厚度配比的梯度自修复抗微动磨损涂层及其制备方法，以提高燃料包壳的耐磨性。

2、为解决上述至少一个技术问题，本发明提供的技术方案是，一种自修复抗微动磨损涂层，包括由基体表面向外依次堆叠的四组结构层，其中，最内层为cr过渡粘接层，第二层为al-cr成分梯度缓冲层，第三层为alcrn/crn纳米周期耐磨主层，最外层为富al自修复钝化顶层。

3、本发明的一种实施方式在于，所述cr过渡粘接层的厚度为100nm~500nm；al-cr梯度韧化缓冲层的厚度为0.2μm~3μm；alcrn/crn纳米周期耐磨主层0.4μm~7.6μm；富al自修复钝化顶层50nm~350nm。

4、本发明的一种实施方式在于，步骤s1：对基体表面进行预处理；

5、步骤s2：在基体表面沉积cr过渡粘接层；

6、步骤s3：渐变沉积al-cr梯度韧化缓冲层；

7、步骤s4：交替沉积alcrn/crn纳米周期耐磨主层；

8、步骤s5：沉积富al自修复钝化顶层；

9、步骤s6：对样品进行低温应力退火，冷至室温后即得。

10、本发明的一种实施方式在于，步骤s1中所述基体为核用锆合金。

11、本发明的一种实施方式在于，步骤s1中所述预处理方法为：

12、步骤s11：对基体表面打磨抛光至粗糙度ra ≤ 0.1μm，消除表面划痕、加工缺陷；

13、步骤s12：依次采用丙酮、无水乙醇、去离子水对基体表面进行超声清洗，单次清洗时长不少于15 min，之后高纯氮气干燥；

14、步骤s13：将基体转移至磁控溅射真空腔体，保持腔体内真空度不高于，升温至280℃~320℃保温30min；

15、步骤s14：向腔体内通入高纯氩气进行等离子体辉光清洗，于偏压-800v ~ -1000v下清洗20min。

16、本发明的一种实施方式在于，步骤s2中所述在基体表面沉积cr过渡粘接层的方法为：

17、保持280℃~320℃的腔体温度，在80 sccm~100 sccm的高纯氩气流中执行纯cr金属靶直流溅射25min~33min，溅射功率180w~220w，基体偏压-80v ~ -120v，腔体工作压强稳定在0.6pa~0.8pa。

18、本发明的一种实施方式在于，步骤s3中所述渐变沉积al-cr梯度韧化缓冲层的方法为：

19、保持腔体气压、温度、氩气氛围条件不变，同步开启cr靶与al靶溅射；沉积过程中恒定总功率220w~260w，采用功率渐变调控方式，在沉积周期79min~88min的时间范围内，cr靶功率由180w~210w开始，随时间线性调节至50w~70w；al靶功率由30w~60w开始，随时间线性调节至170w~190w。

20、本发明的一种实施方式在于，步骤s4中所述交替沉积alcrn/crn纳米周期耐磨主层的方法为：

21、维持腔体基础工况不变，额外通入30sccm~50sccm的高纯氮气作为反应气体，与氩气形成混合溅射氛围，交替切换溅射靶材，周期性交替沉积crn硬质层与alcrn韧化层；

22、其中，靶电源通过通断方式交替沉积crn硬质层与alcrn韧化层，单周期沉积总厚度为5nm~20nm，硬质层与韧化层厚度比为1:1~2.4，单周期沉积总时长30s~120s，线性对应单周期沉积总厚度；

23、周期性交替沉积crn硬质层与alcrn韧化层的具体方法，包括以下步骤：

24、步骤s41：以180w~220w功率范围开启纯cr靶溅射硬质层，执行单周期总时长一半时间的crn层沉积；

25、步骤s42：关闭纯cr靶溅射，在硬质层上开启cr靶与al靶共溅射，执行剩余时长的韧化层沉积，完成一组单周期沉积；

26、其中，cr靶功率范围为50w~70w，al靶功率范围为170w~190w，cr靶溅射与al靶溅射功率比为1:2.43~3.8；

27、步骤s43：重复上述步骤操作至alcrn/crn纳米周期耐磨主层厚度达到要求。

28、本发明的一种实施方式在于，步骤s5中所述沉积富al自修复钝化顶层的方法，包括以下步骤：

29、步骤s51：关闭cr靶材，仅保留al靶射频溅射，微调氮气流速至10sccm～20sccm；

30、步骤s52：控制al靶溅射功率80w~120 w，调整基体偏压至-50v~-80 v，溅射时长为5min～58min，低速平稳沉积制备富al非晶钝化顶层；

31、其中，富al非晶钝化顶层中氮元素原子占比为5at.%～12 at.%，al元素占比为85at.%～92 at.%，考虑溅射高温环境下cr微量向上扩散至钝化顶层，可认为富al非晶钝化顶层中恒定存在3at.%的cr组分。

32、本发明的一种实施方式在于，步骤s6中所述低温应力退火方法为：

33、涂层沉积完成后，关闭靶材与进气系统，保持高真空环境，将腔体温度缓慢降至150℃~180℃，保温60min~90min。

34、本发明的技术效果是：

35、本发明构建的“粘结过渡—梯度缓冲—纳米耐磨—自修复封孔”一体化防护体系，有效解决了传统涂层微动工况下易开裂、易剥落、摩擦层不稳定的技术难题，且该梯度缓冲结构还可有效抑制基体滑移带聚集与晶界塑性损伤累积。

1.一种自修复抗微动磨损涂层，其特征在于，包括由基体表面向外依次堆叠的四组结构层，其中，最内层为cr过渡粘接层，第二层为al-cr成分梯度缓冲层，第三层为alcrn/crn纳米周期耐磨主层，最外层为富al自修复钝化顶层。

2.根据权利要求1所述的一种自修复抗微动磨损涂层，其特征在于：所述cr过渡粘接层的厚度为100nm~500nm；al-cr梯度韧化缓冲层的厚度为0.2μm~3μm；alcrn/crn纳米周期耐磨主层0.4μm~7.6μm；富al自修复钝化顶层50nm~350nm。

3.根据权利要求1所述的一种自修复抗微动磨损涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的一种自修复抗微动磨损涂层的制备方法，其特征在于：步骤s1中所述基体为核用锆合金。

5.根据权利要求1所述的一种自修复抗微动磨损涂层的制备方法，其特征在于：步骤s1中所述预处理方法为：

6.根据权利要求1所述的一种自修复抗微动磨损涂层的制备方法，其特征在于：步骤s2中所述在基体表面沉积cr过渡粘接层的方法为：

7.根据权利要求1所述的一种自修复抗微动磨损涂层的制备方法，其特征在于：步骤s3中所述渐变沉积al-cr梯度韧化缓冲层的方法为：

8.根据权利要求1所述的一种自修复抗微动磨损涂层的制备方法，其特征在于：步骤s4中所述交替沉积alcrn/crn纳米周期耐磨主层的方法为：

9.根据权利要求1所述的一种自修复抗微动磨损涂层的制备方法，其特征在于：步骤s5中所述沉积富al自修复钝化顶层的方法，包括以下步骤：

10.根据权利要求1所述的一种自修复抗微动磨损涂层的制备方法，其特征在于：步骤s6中所述低温应力退火方法为：