CN117604472A - 一种具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有层状结构的Fe‑Cr基复合涂层及其制备方法，属于反应堆包壳结构材料技术领域。其制备方法包括：在真空环境中，利用Ar+离子刻蚀基体后，采用磁控共溅射法和/或磁控交替溅射法在刻蚀后的基体表面沉积形成FeMoAl层和/或FeCrMoAl层与Cr层交替的Fe‑Cr基复合涂层。本发明通过改变磁控溅射的溅射方法来调控Fe‑Cr基复合涂层的层状界面结构，获得具有均匀的微观组织及优异的力学性能和热稳定性的具有层状结构的Fe‑Cr基复合涂层。
Description
技术领域
本发明涉及反应堆包壳结构材料技术领域，具体涉及一种具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层及其制备方法。
背景技术
铅铋合金(Lead-Bismuth Eutectic,LBE)因其优异的热物理、化学和中子特性而被选为***快中子增殖反应堆的潜在冷却剂材料。在使用时需要利用到包壳材料、结构材料进行包裹，然而，如何提高可用包壳材料、结构材料在高温条件下的抗腐蚀能力成为在先进核反应堆中设计和应用液态金属/合金冷却剂***一直以来面临的挑战。
以往研究表明，在包壳材料、结构材料表面沉积保护涂层进行表面改性是一种行之有效的方法。然而，基于传统设计理念开发的涂层材料的各项服役性能，特别是热稳定性已无法满足工程应用的实际需要。近年来，制备层状结构复合涂层已成为制备高性能涂层的主要思路之一。层状结构中的异相界面在涂层的结构和性能中扮演着至关重要的作用，如可以作为有效的位错源/井萌生位错、吸收位错、阻碍位错运动、存储位错来提高材料的力学性能和损伤容限，同时在高温条件下可以抑制晶界的迁移从而提高材料的热稳定性。层状复合涂层的单层性能、层厚以及层间的界面结构等都会影响其性能，相较于单一结构涂层，具有较高的强韧性、热稳定性和耐蚀性。因此，研究具有不同层状结构的Fe-Cr基复合涂层的微观组织和性能以及提出一种具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层的制备方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层及其制备方法，解决了如何制备具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层来提高可用包壳材料、结构材料耐铅铋腐蚀性能的问题，所制备的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层具有优异的力学性能和热稳定性。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明提供一种具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法，包括：
对基体表面进行预处理以去除表面杂质；
在真空环境中，利用Ar+离子刻蚀基体；
采用磁控共溅射法和/或磁控交替溅射法在刻蚀后的基体表面沉积形成FeMoAl层和/或FeCrMoAl层与Cr层交替的Fe-Cr基复合涂层，随炉冷却至室温，得到具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层。
进一步地，在所述的具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法中，基体表面的预处理包括：对基体表面进行抛光后，依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗10-30min后烘干。
进一步地，在所述的具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法中，真空环境下进行刻蚀的条件为：真空度小于4.0×10-4Pa，刻蚀时间至少为5min。
进一步地，在所述的具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法中，磁控溅射采用直流电源，在沉积过程中氩气流速设定为60sccm，气压设定为0.3～1.0Pa。
进一步地，在所述的具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法中，进行磁控共溅射和交替溅射方法包括：以FeMoAl靶和Cr靶为靶料，采用磁控交替溅射法沉积形成具有层状结构的所述Fe-Cr基复合涂层；或，
以FeMoAl靶和Cr靶为靶料，采用磁控共溅射法沉积以及以Cr靶为靶料，采用磁控交替溅射法沉积形成具有层状结构的所述Fe-Cr基复合涂层；或，
以FeMoAl靶和Cr靶为靶料，采用磁控共溅射法沉积以及以FeMoAl靶和Cr靶为靶料，采用磁控交替溅射法沉积形成具有层状结构的所述Fe-Cr基复合涂层。
进一步地，在所述的具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法中，所述FeMoAl靶的纯度99.9wt.％，直流电源功率50～200W，沉积时间为700～3000s；
优选地，所述Cr靶的纯度99.9wt.％，直流电源功率100～200W，沉积时间为600～3000s；
优选地，沉积气压0.3～1.0Pa，沉积温度为室温，带动基体旋转基盘的转速5-30r/min。
本发明还提供上述制备方法制备的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，所述Fe-Cr基复合涂层的层状结构包括：交替的FeMoAl层和/或FeCrMoAl层与Cr层。
进一步地，在所述的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层中，所述Fe-Cr基复合涂层的层界面结构包括：晶体/晶体型、晶体/非晶型和晶体/非晶型/晶体型；
所述Fe-Cr基复合涂层中晶粒为柱状纳米晶，柱状纳米晶为连续柱状生长和/或层内柱状生长；
优选地，所述Fe-Cr基复合涂层的厚度为0.5～5.0μm。
进一步地，在所述的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层中，以FeMoAl/Cr交替沉积形成的Fe-Cr基复合涂层为晶体/晶体层状结构，呈连续柱状结构生长；或，
以FeCrMoAl/Cr交替沉积形成的Fe-Cr基复合涂层为晶体/非晶层状结构，呈不连续柱状结构生长；或，
FeMoAl/FeCrMoAl/Cr交替沉积形成的Fe-Cr基复合涂层为晶体/非晶型/晶体型，呈连续柱状结构/不连续柱状生长。
进一步地，在所述的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层中，当FeMoAl靶和Cr靶交替溅射沉积，形成的单沉积层层厚为100～200nm。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明通过改变磁控溅射的溅射方法来调控Fe-Cr基复合涂层的层状界面结构：当FeMoAl靶与Cr靶共溅射时，形成稳定的FeCrMoAl晶体层，再与Cr靶交替沉积，界面结构为晶体/晶体型；当FeMoAl靶单独溅射时，形成亚稳态的FeMoAl非晶层，再与Cr靶交替沉积，界面结构为晶体/非晶型；当FeMoAl靶与Cr靶共溅射和FeMoAl靶单独溅射结合，形成稳定的FeCrMoAl晶体层和亚稳态的FeMoAl非晶层，再与Cr靶交替沉积，界面结构为晶体/非晶型/晶型。晶体/晶体界面结构涂层表现为连续柱状结构生长，柱与柱之间结构较疏松，而晶体/非晶界面结构涂层中非晶层对晶体层的晶粒柱状生长具有阻碍作用，则表现为层内柱状结构生长，从而获得更加均匀致密的层状结构，晶体/非晶型/晶型则是上面两种情况交替出现。
本发明提供的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，其形貌为柱状结构生长，尺寸稳定在纳米晶范围；微观结构和力学性能随界面类型和层厚的变化而变化：晶体/晶体型界面结构涂层为连续柱状生长，硬度较低；晶体/非晶型界面结构涂层为层内柱状晶生长，结构较致密，硬度较高；层厚减小，晶体/非晶型界面结构涂层的层内柱状晶尺寸减小，硬度增大。通过本发明方法制备的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，最优涂层性能的结构为晶体/非晶界面结构和小层厚，涂层均匀致密，综合性能优良。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明实施例1～4中具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层的XRD图谱图；
图2为本发明实施例1～2中不同界面结构的层状Fe-Cr基复合涂层的TEM截面图；
图3为本发明实施例3～4中不同层厚的层状Fe-Cr基复合涂层的SEM截面图；
图4为本发明实施例3～4中不同层厚的层状Fe-Cr基复合涂层的TEM截面图；
图5为本发明实施例1～4中具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层的纳米压痕硬度结果图；
图6为本发明实施例1～2中具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层700℃、2h退火后的表面形貌图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的技术方案为：
一种具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法，包括：
对基体表面进行预处理以去除表面杂质；
在真空环境中，利用Ar+离子刻蚀基体；
采用磁控共溅射法和/或磁控交替溅射法在刻蚀后的基体表面沉积形成FeMoAl层和/或FeCrMoAl层与Cr层交替的Fe-Cr基复合涂层，随炉冷却至室温，得到具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层。
Fe-Cr-Mo-Al涂层由于在铅铋合金冷却快堆中的溶解度相对较低，基本与Pb、Bi元素不互溶，其中Cr和Al元素具有瞬态氧化效应，易于形成致密的氧化膜，具有良好的耐腐蚀性，而且较大的原子尺寸失配产生严重的晶格畸变可提高材料的强度/硬度。因此，Fe-Cr-Mo-Al涂层在铅铋合金冷却快堆包壳材料、结构材料表面涂层中具有很高的应用前景。
本发明提供的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层及其制备方法，采用磁控溅射沉积法在洁净的不锈钢基体上沉积制备Fe-Cr基复合涂层，Ar+离子轰击靶材(阴极)与样品原子发生弹性碰撞，进一步产生碰撞级联，样品原子由此被激发并反向沉积到基体。通过调控溅射方法及溅射时间，FeMoAl原子和Cr原子共沉积以及交替沉积，形成不同界面结构不同层厚的层状结构涂层。通过上述方法制备的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，结构均匀致密，力学性能和热稳定性优良。
本发明通过改变磁控溅射的溅射方法来调控Fe-Cr基复合涂层的层状界面结构：当FeMoAl靶与Cr靶共溅射时，形成稳定的FeCrMoAl晶体层，再与Cr靶交替沉积，界面结构为晶体/晶体型；当FeMoAl靶单独溅射时，形成亚稳态的FeMoAl非晶层，再与Cr靶交替沉积，界面结构为晶体/非晶型；当FeMoAl靶与Cr靶共溅射和FeMoAl靶单独溅射结合，形成稳定的FeCrMoAl晶体层和亚稳态的FeMoAl非晶层，与Cr靶交替沉积，界面结构为晶体/非晶型/晶型。晶体/晶体界面结构涂层表现为连续柱状结构生长，柱与柱之间结构较疏松，而晶体/非晶界面结构涂层中非晶层对晶体层的晶粒柱状生长具有阻碍作用，则表现为层内柱状结构生长，从而获得更加均匀致密的层状结构，晶体/非晶型/晶型则是上面两种情况交替出现。
层厚是影响涂层变形机理和性能的重要因素，小层厚时晶粒尺寸细小，且界面数量多，对位错和晶粒运动的阻碍作用较强，使涂层表现出较好的力学性能和热稳定性。本发明的制备方法能够利用层与层之间的相互影响调控材料晶粒结构的生长方式，并通过沉积时间来控制层厚，并以此来优化涂层的性能。
本发明通过控制溅射方法和溅射时间来调控层状Fe-Cr基复合涂层的界面结构和层厚；沉积结束后样品在高真空镀膜室充分冷却得到具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，所得涂层成分均匀，组织致密；通过上述方法制备的层状结构的Fe-Cr基复合涂层，可以获得最优的层状结构为：晶体/非晶界面和小层厚结构，该结构可以有效提高Fe-Cr基复合涂层的力学性能和热稳定性。
本发明提供的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层的制备方法，沉积形成FeMoAl层和/或FeCrMoAl层与Cr层交替具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，具有均匀的微观组织及优异的力学性能和热稳定性。
本发明提供的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，其形貌为柱状结构生长，尺寸稳定在纳米晶范围；微观结构和力学性能随界面类型和层厚的变化而变化：晶体/晶体型界面结构涂层为连续柱状生长，硬度较低；晶体/非晶型界面结构涂层为层内柱状晶生长，结构较致密，硬度较高；层厚减小，晶体/非晶型界面结构涂层的层内柱状晶尺寸减小，硬度增大。通过本发明方法制备的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，最优涂层性能的结构为晶体/非晶界面结构和小层厚，涂层均匀致密，综合性能优良。
在本发明的制备方法中，
基体可采用不锈钢基体，对单面抛光的不锈钢基体，依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗烘干，保证基体表面洁净无污渍和灰尘附着，超声清洗后的不锈钢基体表面粗糙度小于0.8nm，对抛光后的不锈钢基体进行超声清洗，有利于提高涂层与基体结合力。
将超声清洗后的不锈钢基体利用导电胶固定到基盘上，自动机械伴送进入磁控溅射镀膜室进行刻蚀：高真空环境中，首先利用Ar+离子刻蚀，进一步去除基体表面杂质。
采用磁控溅射共溅射方法在不锈钢基体表面沉积具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，其原理是：Ar气所电离出的Ar+在电场的作用下轰击阴极靶材表面，使靶材发生溅射，溅射出的靶材原子沉积在基体上，溅射出的二次电子在电场和磁场的作用下，被束缚在靠近靶材表面的等离子区域内以旋轮线的形式循环运动，增加了与Ar的碰撞几率，从而电离出更多Ar+，实现了较高的沉积速率。通过控制沉积方式和沉积时间分别来调整Fe-Cr基复合涂层的界面结构和层厚。沉积结束后，样品在高真空镀膜室充分冷却后再取出，以防止因基体与涂层材料热膨胀系数差异所造成的脱粘、开裂，以及可以防止因温度高而与空气发生氧化。最终沉积出不同界面结构不同层厚的层状Fe-Cr基复合涂层。
采用磁控溅射方法溅射FeMoAl靶和Cr靶，沉积的涂层为层状结构，沉积速率快；工作气体氩气对被溅射出来的原子的散射作用弱，沉积效率和涂层的附着力得到进一步提升。因此，沉积的涂层均匀致密、缺陷少、纯度高且附着力强。
通过采用磁控溅射共溅射和交替溅射的方法在不锈钢基体上沉积制备具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层。
由于沉积温度过高，为确保样品内应力较小以及防止样品在空气中氧化，沉积结束后，最后基体在真空镀膜室中自然冷却至室温，避免因涂层/基体热膨胀系数的差异而导致薄膜从基体上脱粘、断裂，并防止涂层氧化。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层及其制备方法进行描述，但是应当理解，这些实施例是以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1：
本实施例的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层的制备，包括：
步骤1：将单面抛光的不锈钢基体分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗15min，并用吹风机烘干。
步骤2：将基体固定在基盘上，然后机械自动伴送进入真空镀膜室，抽真空至背底真空度低于4×10-4Pa开始刻蚀，刻蚀的功率为200W，时间为5min。
步骤3：采用磁控溅射依次共溅射和交替溅射制备具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层。
其中，FeMoAl靶纯度99.9wt.％(Fe:Mo:Al＝56:22:22at.％)，采用直流电源，功率为50、100、150、200W梯度变化，Cr靶纯度99.9wt.％，采用直流电源，功率为200W，沉积气压设定值为1.0Pa，沉积温度为室温，基盘转速为15r/min，首先同时开启FeMoAl靶和Cr靶电源沉积，然后开启Cr靶电源沉积，依次交替沉积，一个周期内FeMoAl靶和Cr靶的共沉积时间为2000s，Cr靶的沉积时间为1000s，循环沉积3次，最上层为共沉积层，总沉积时间为11280s。
步骤4：沉积结束后，待样品在高真空沉积室中自然冷却2-3h至室温后取出，得到具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，厚度约为2.1μm。
实施例2
本实施例的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层的制备，包括：
步骤1：将单面抛光的不锈钢基体分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗15min，并用吹风机烘干。
步骤2：将基体固定在基盘上，然后机械自动伴送进入真空镀膜室，抽真空至背底真空度低于4×10-4Pa开始刻蚀，刻蚀的功率为200W，时间为5min。
步骤3：采用磁控溅射交替溅射制备具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层。
其中，FeMoAl靶纯度99.9wt.％(Fe:Mo:Al＝56:22:22at.％)，采用直流电源，功率为50、100、150、200W梯度变化，Cr靶纯度99.9wt.％，采用直流电源，功率为200W，沉积气压设定值为1.0Pa，沉积温度为室温，基盘转速为15r/min，依次开启FeMoAl靶和Cr靶电源沉积，一个周期内FeMoAl靶的沉积时间为2000s，Cr靶的沉积时间为1000s，循环沉积3次，最上层为FeMoAl层，总沉积时间为11280s。
步骤4：沉积结束后，待样品在高真空沉积室中自然冷却2-3h至室温后取出，得到具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，厚度约为1.2μm。
实施例3
本实施例的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层的制备，包括：
步骤1：将单面抛光的不锈钢基体分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗15min，并用吹风机烘干。
步骤2：将基体固定在基盘上，然后机械自动伴送进入真空镀膜室，抽真空至背底真空度低于4×10-4Pa开始刻蚀，刻蚀的功率为200W，时间为5min。
步骤3：采用磁控溅射交替溅射制备具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层。
其中，FeMoAl靶纯度99.9wt.％(Fe:Mo:Al＝56:22:22at.％)，Cr靶纯度99.9wt.％，采用直流电源，功率均为100W和200W，沉积气压设定值为0.3Pa，沉积温度为室温，基盘转速为15r/min，依次开启FeMoAl靶和Cr靶电源沉积，共设置2种工艺参数：第一种功率为200W，一个周期内FeMoAl靶的沉积时间为1408s，Cr靶的沉积时间为1460s；第二种功率为100W，一个周期内FeMoAl靶的沉积时间为2903s，Cr靶的沉积时间为2899s。循环沉积5次，最上层为FeMoAl层，总沉积时间分别16188s和32353s。
步骤4：沉沉积结束后，待样品在高真空沉积室中自然冷却2-3h至室温后取出，得到层厚为200nm的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，厚度约为2μm。
实施例4
本实施例的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层的制备，包括：
步骤1：将单面抛光的不锈钢基体分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗15min，并用吹风机烘干。
步骤2：将基体固定在基盘上，然后机械自动伴送进入真空镀膜室，抽真空至背底真空度低于4×10-4Pa开始刻蚀，刻蚀的功率为200W，时间为5min。
步骤3：采用磁控溅射交替溅射制备具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层。
其中，FeMoAl靶纯度99.9wt.％(Fe:Mo:Al＝56:22:22at.％)，Cr靶纯度99.9wt.％，采用直流电源，功率均为100W和200W，沉积气压设定值均为0.3Pa和1Pa，沉积温度为室温，基盘转速为15r/min，依次开启FeMoAl靶和Cr靶电源沉积，共设置3种工艺参数：第一种工艺的功率为200W，气压为1Pa，一个周期内FeMoAl靶的沉积时间为736s，Cr靶的沉积时间为603s；第二种工艺的功率为200W，气压为0.3Pa，一个周期内FeMoAl靶的沉积时间为704s，Cr靶的沉积时间为730s；第三种工艺的功率为100W，气压为0.3Pa，一个周期内FeMoAl靶的沉积时间为1451s，Cr靶的沉积时间为1449s。循环沉积10次，最上层为FeMoAl层，总沉积时间分别14966s、15884s和31291s。
步骤4：沉沉积结束后，待样品在高真空沉积室中自然冷却2-3h至室温后取出，得到层厚为100nm的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，厚度约为2μm。
采用石墨单色器滤波，θ-2θ的扫描模式，Cu-Kα1作为入射线，工作电压36kV，工作电流80mA，扫描步长0.02°对涂层进行物相鉴定以及晶体结构的分析。
下面对本发明实施例1～4中具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层进行电镜扫描分析，结果如下：图1展示了本发明实施例1～4中具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层的XRD图片。采用TEM对涂层的微观结构进行表征时工作电压设定为200kV。图2展示了本发明实施例1～2中具有不同界面结构的层状Fe-Cr基复合涂层的TEM截面图。采用场发射扫描电子显微镜观察涂层截面的微观形貌，图2(a)为实施例1中复合涂层的TEM截面图，图2(b)为实施例2中复合涂层的TEM截面图。图3展示了本发明实施例3～4中不同层厚的层状Fe-Cr基复合涂层的SEM截面图。采用TEM对涂层的微观结构以及晶体取向进行表征时工作电压设定为200kV，图3(a)为实施例3中复合涂层的SEM截面图，图3(b)为实施例4中复合涂层的SEM截面图。图4展示了本发明实施例3～4中不同层厚的层状Fe-Cr基复合涂层的TEM截面图，图4(a)为实施例3中复合涂层的TEM截面图，图4(b)为实施例4中复合涂层的TEM截面图。采用标准的Berkovich三棱锥金刚石压头在室温下对涂层进行测量，变速率为0.1s-1的载荷控制模式，加载、保载、卸载时间分别控制为5s、2s、5s，最大压痕深度控制在涂层总厚度的10～15％以避免基体的影响，同时对每个试样至少进行9次测试，以获得硬度平均值和标准偏差，相同载荷下压入深度越大硬度越小，实施例3～4中不同层厚的层状Fe-Cr基复合涂层的测试结果分别见图4(c)和图4(d)。图5展示了本发明实施例1～4中具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层的纳米压痕硬度结果。采用光学显微镜观察涂层退火后表面的微观形貌。图6展示了本发明实施例1～2中具有不同界面结构的Fe-Cr基复合涂层700℃、2h退火后的表面形貌图，图6(a)为实施例1中复合涂层的测试结果，图6(b)为实施例2中复合涂层的测试结果。
对实施例1制备出的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层进行微观组织表征和力学性能测试中，界面结构为晶体/晶体型，晶粒为柱状纳米晶，表现为连续柱状结构生长，纳米压痕硬度为5.55±0.13GPa，700℃、2h退火后产生裂纹。
对实施例2制备出的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层进行微观组织表征和力学性能测试，界面结构为晶体/非晶型，晶粒为柱状纳米晶，表现为层内柱状结构生长，纳米压痕硬度为6.09±0.25GPa，700℃、2h退火后整体结构保持完整，没有明显裂纹产生。
对实施例3制备出的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层进行微观组织表征和力学性能测试，界面结构为晶体/非晶型，晶粒为柱状纳米晶，表现为层内柱状结构生长，晶粒尺寸小于层厚，纳米压痕硬度分别为7.24±0.18GPa和6.58±0.09GPa。
对实施例4制备出的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层进行微观组织表征和力学性能测试，界面结构为晶体/非晶型，晶粒为柱状纳米晶，表现为层内柱状结构生长，晶粒尺寸小于层厚，纳米压痕硬度分别为6.82±0.14GPa、7.51±0.17GPa和7.19±0.16GPa。
本发明的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，层内元素分布均匀，晶粒为柱状纳米晶。本发明的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层具有优异的力学性能和热稳定性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法，其特征在于，包括：
对基体表面进行预处理以去除表面杂质；
在真空环境中，利用Ar+离子刻蚀基体；
采用磁控共溅射法和/或磁控交替溅射法在刻蚀后的基体表面沉积形成FeMoAl层和/或FeCrMoAl层与Cr层交替的Fe-Cr基复合涂层，随炉冷却至室温，得到具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层。
2.根据权利要求1所述的具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法，其特征在于，基体表面的预处理包括：对基体表面进行抛光后，依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗10-30min后烘干。
3.根据权利要求1所述的具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法，其特征在于，真空环境下进行刻蚀的条件为：真空度小于4.0×10-4Pa，刻蚀时间至少为5min。
4.根据权利要求1所述的具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法，其特征在于，磁控溅射采用直流电源，在沉积过程中氩气流速设定为60sccm，气压设定为0.3～1.0Pa。
5.根据权利要求1所述的具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法，其特征在于，进行磁控共溅射和交替溅射方法包括：以FeMoAl靶和Cr靶为靶料，采用磁控交替溅射法沉积形成具有层状结构的所述Fe-Cr基复合涂层；或，
以FeMoAl靶和Cr靶为靶料，采用磁控共溅射法沉积以及以Cr靶为靶料，采用磁控交替溅射法沉积形成具有层状结构的所述Fe-Cr基复合涂层；或，
以FeMoAl靶和Cr靶为靶料，采用磁控共溅射法沉积以及以FeMoAl靶和Cr靶为靶料，采用磁控交替溅射法沉积形成具有层状结构的所述Fe-Cr基复合涂层。
6.根据权利要求5所述的具有层状结构Fe-Cr基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述FeMoAl靶的纯度99.9wt.％，直流电源功率50～200W，沉积时间为700～3000s；
优选地，所述Cr靶的纯度99.9wt.％，直流电源功率100～200W，沉积时间为600～3000s；
优选地，沉积气压0.3～1.0Pa，沉积温度为室温，带动基体旋转基盘的转速5-30r/min。
7.一种如权利要求1-6任一项所述制备方法制备的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，其特征在于，所述Fe-Cr基复合涂层的层状结构包括：交替的FeMoAl层和/或FeCrMoAl层与Cr层。
8.根据权利要求7所述的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，其特征在于，所述Fe-Cr基复合涂层的层界面结构包括：晶体/晶体型、晶体/非晶型和晶体/非晶型/晶体型；
所述Fe-Cr基复合涂层中晶粒为柱状纳米晶，柱状纳米晶为连续柱状生长和/或层内柱状生长；
优选地，所述Fe-Cr基复合涂层的厚度为0.5～5.0μm。
9.根据权利要求7所述的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，其特征在于，以FeMoAl/Cr交替沉积形成的Fe-Cr基复合涂层为晶体/晶体层状结构，呈连续柱状结构生长；或，
以FeCrMoAl/Cr交替沉积形成的Fe-Cr基复合涂层为晶体/非晶层状结构，呈不连续柱状结构生长；或，
FeMoAl/FeCrMoAl/Cr交替沉积形成的Fe-Cr基复合涂层为晶体/非晶型/晶体型，呈连续柱状结构/不连续柱状生长。
10.根据权利要求7所述的具有层状结构的Fe-Cr基复合涂层，其特征在于，当FeMoAl靶和Cr靶交替溅射沉积，形成的单沉积层层厚为100～200nm。
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