3-27 抗氢钢表面防氢渗透涂层

潘晓霞 谭 云 丰 杰 王 兵

　　为改善FeNiCr奥氏体不锈钢的氢脆及氦脆程度，提高在氢环境中构件的安全可靠性，利用表面改性的方法在基体材料表面制备抑制氢渗透阻挡层是新颖有效的技术途径之一。综合考虑涂覆方法、工艺及膜层质量等诸多因素，采用目前先进的离子束辅助沉积表面改性技术，它具有制备膜层质量好、膜/基结合力高、处理工艺温度低等特点。

　　由于离子束辅助沉积较难制备厚膜，为研究涂层厚度对氢渗透的影响，同时采用磁控溅射技术制备较厚的铝涂层。在已知的阻氢层材料中，陶瓷涂层具有极低的氢渗透率而成为理想的阻氢渗透层，但陶瓷涂层自身的脆性使涂层内部存在有微裂纹、陶瓷涂层与基体结合不牢、内应力大等问题，涂层本身不能经受热循环的考验，陶瓷涂层自身优越的阻氢性能得不到体现。因此采用离子束辅助沉积在FeNiCr奥氏体不锈钢金属基体上制备纯铝涂层，而后再在高温大气环境中氧化，在基体表面获得Al+Al₂O₃的复合涂层结构。

　　经分析表明，离子束辅助沉积的涂层致密完整，晶粒细小，没有孔隙等缺陷存在。图1所示扫描电镜横截面照片可观察到膜层与基体界面模糊，从基体到膜层为逐渐过渡，形成一定宽度的白亮层，标志着涂层与基体形成了冶金结合，使膜/基结合良好。

  
  图1扫描电镜照片                　　 图2 氢增量随充氢时间变化曲线

　　在200℃，24MPa热充氢条件下无涂层试样、磁控溅射铝涂层试样、离子束辅助沉积铝涂层加氧化处理试样氢增量随充氢时间变化曲线如图2所示。曲线中B为IBAD铝涂层＋氧化处理; C为磁控溅射铝涂层＋氧化处理; D为J75基体试样。可见，由于离子束辅助沉积制备纯铝涂层和氧化处理后获得的涂层致密完整、质量优良，与基体形成了良好的冶金结合，涂层为Al+Al₂O₃的复合涂层结构决定了其优异的阻氢性能。该复合涂层试样随热充氢时间延长其氢增量明显低于无涂层试样及磁控溅射铝涂层试样，且氢增量趋势平缓，对氢的渗透有明显的阻挡效果，阻氢效率高达74.8％。

　　由此得到如下结论：(1)用离子束辅助沉积方法制备的涂层结构致密，并能与基体形成冶金结合，是一种良好的阻氢涂层制备技术。(2)完整的Al＋Al₂O₃复合涂层有极好的阻氢性能，是一种优良的阻氢复合材料。在Al上氧化获得Al₂O₃膜，简单有效。(3)用表面涂层方法来阻止氢向材料中渗透是一种有效的阻氢途径。