一种中子发射管用复合储氘涂层及其制备方法与流程

本发明涉及中子发生，具体涉及一种中子发射管用复合储氘涂层材料及其制备方法。

背景技术：

1、中子发射管是一种小型加速器中子源，其作用是将离子源、靶和气压调节系统全部密封在陶瓷管内，构成结构简单紧凑、使用方便的电真空器件。氘靶作为中子发射管和中子发生器的关键部件，要求氘靶具有很高的储氘能力，由于中子管工作中会受到大束流氘离子的轰击，靶膜表面温度随之升高，还要求靶膜具有较高的热稳定性。此外，靶膜的结合强度、抗氢脆性能、抗氧化性能都是影响氘靶质量的关键因素。

2、国内外中子发射管、中子发生器的中子源大多采用钼、钨、铜等金属作为衬底，表面镀钛、锆、钪等元素作为吸氘薄膜材料。研究表明，钛作为目前吸氢密度最高的金属材料之一，具有价格便宜，钛膜制备工艺简单，并且吸氘稳定性的特点，普遍被用作中子管、中子发生器氘靶的吸氘膜材料，可以吸入高浓度的氘和氢同位素氚，同时可以在金属衬底上形成薄膜，适宜的钛层厚度能够保证其表面温度足够低，从而保持靶内活性总量不变。但纯钛膜作为吸氘薄膜也存在一些缺陷：1、钛膜极易被o和c等元素污染，在表面形成一层碳化物或氧化物膜层，从而影响薄膜的吸放氘性能；2、纯钛膜吸氢之后会出现特有的氢脆现象，使得材料力学性能恶化，导致靶膜粉化或整块脱落，造成中子管的高压击穿；3、纯钛膜不能达到较高的氘钛比，中子产额较低。如huang wc等公开了一种磁控共溅射制备的mg/nb储氢复合薄膜的方法，其后续需要在较高的温度和氢分压下才能完成吸氢过程，虽能够储氢但未解决氢脆粉化和吸氢率低的问题。cn106544628a发明中提出了一种制备含氘金属薄膜的方法，在溅射沉积过程中通入高纯氘气直接形成含氘金属薄膜，能够有效避免纯金属薄膜吸氘出现的氢脆、掉粉等问题，但其却未能解决储氘薄膜表面易形成氧化物而影响中子产额的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种中子发射管用复合储氘涂层材料及其制备方法，通过采用反应磁控溅射方法，在基材表面上沉积金属过渡层来进一步增强涂层与基底间结合强度。在金属过渡层表面沉积制备金属氘化物薄膜，通过控制溅射过程中通入氘气的百分比来调控沉积涂层中的储氘量，在满足较高储氘密度与良好热稳定性的前提下，提高涂层抗氢脆和储氘性能，最后在储氘薄膜表面沉积保护层，来提升储氘复合薄膜的抗氧化和抗碳化性能。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种中子发射管用复合储氘涂层材料，其包括金属过渡层、mdx储氘层和保护层。

3、本发明还提供一种中子发射管，其包括基体、依次附着在基体上的金属过渡层、mdx储氘层和保护层。

4、其中，所述基体采用高导热系数的金属。

5、其中，所述mdx中的m为mg、ti、ni、la、co、zr、hf、al中的一种或者多种合金。

6、其中，所述mdx储氘层中的x值指代氘与钛的原子比，为0.5～2.5。

7、其中，所述金属过渡层、mdx储氘层和保护层的总厚度不超过30μm。

8、其中，所述的金属过渡层厚度不超过5.0μm。

9、其中，所述mdx储氘层厚度不超过20μm。

10、其中，所述表面保护层为钯或钯合金，厚度为0.1～5.0μm。

11、本发明还提供上述中子发射管用复合储氘涂层材料的制备方法，其包括：

12、第一步，将基体表面抛光至粗糙度ra＜0.8μm，超声清洗并烘干后得到表面光洁平整的基体材料试样；

13、第二步，在基体表面以气相沉积方法沉积制备金属过渡层；

14、第三步，在金属过渡层上以气相沉积方法沉积制备mdx储氘涂层；

15、第四步，在mdx储氘涂层上以气相沉积方法沉积制备保护层。

16、所述气相沉积方法为物理气相沉积法。

17、所述物理气相沉积法可以选择，电子束蒸发镀膜、磁控溅射镀膜、电弧等离子体镀膜、离子镀膜及分子束外延镀膜等。

18、本发明的有益效果

19、(1)本发明的中子发射管用复合储氘涂层，由金属过渡内层、mdx储氘涂层和保护外层构成。内层是金属过渡层，因其溅射形成的薄膜晶粒较为致密，与基体结合力好，能使较为疏松的tidx层与基体有较好的连接，另外金属层还可以吸收沉积过程中未完全反应的氘气；mdx储氘涂层具有组分可控、平衡压力低、储氘量高的优点；此外，外层保护层可有效避免因储氘层的氧化和碳化而导致中子产额降低的问题。(2)本发明提供的中子发射管储氘用mdx涂层的制备方法是一种物理气相沉积工艺。本发明制备方法简单、可靠，可以以一种金属化合物的形式储存氘，所制备的薄膜厚度小、重量轻且能与基体有良好的结合力。

20、本发明的金属过渡内层、mdx储氘涂层和保护外层构成的复合涂层制备在金属结构材料表面。通过物理气相沉积过程中通入氘气的百分比来调控沉积涂层中的储氘量。在满足较高储氘密度与良好热稳定性的前提下，进一步增强涂层与基底间结合强度，提高涂层抗氢脆与抗氧化性能。复合涂层由结构结构材料基体、金属过渡层、mdx储氘层和保护层依次布设。复合涂层由物理气相沉积法进行制备，涂层总厚度不超过30μm。涂层制备工艺简单，成本低廉，且采用一种金属化合物储氘的形式，具有空气稳定性好、平衡压力低、储氘量高的优点，在600℃高温测试下，其储氘量可达7.9wt％。

技术特征：

1.一种中子发射管用复合储氘涂层材料，其特征在于：包括金属过渡层、mdx储氘层和保护层。

2.如权利要求1所述中子发射管用复合储氘涂层材料，其特征在于：所述mdx中的m为mg、ti、ni、la、co、zr、hf、al中的一种或者多种合金。

3.如权利要求1或2所述中子发射管用复合储氘涂层材料，其特征在于：所述mdx储氘层中的x值指代氘与钛的原子比，为0.5～2.5。

4.如权利要求1或2所述中子发射管用复合储氘涂层材料，其特征在于：所述金属过渡层、mdx储氘层和保护层的总厚度不超过30μm。

5.如权利要求1或2所述中子发射管用复合储氘涂层材料，其特征在于：所述的金属过渡层厚度不超过5.0μm。

6.如权利要求1或2所述中子发射管用复合储氘涂层材料，其特征在于：所述mdx储氘层厚度不超过20μm。

7.如权利要求1或2所述中子发射管用复合储氘涂层材料，其特征在于：所述表面保护层为钯或钯合金，厚度为0.1～5.0μm。

8.权利要求1至7任一项所述中子发射管用复合储氘涂层材料的制备方法，其特征在于，包括：

9.一种中子发射管，其特征在于，包括：基体、依次附着在基体上的所述金属过渡层、mdx储氘层和保护层。

10.如权利要求9所述的中子发射管，其特征在于：所述基体采用高导热系数的金属。

技术总结
本发明提出一种中子发射管用复合储氘涂层材料及其制备方法，通过采用气相沉积的方法，在基材表面上沉积金属过渡层来进一步增强涂层与基底间结合强度。在金属过渡层表面沉积制备金属氘化物薄膜，通过控制溅射过程中通入氘气的百分比来调控沉积涂层中的储氘量，在满足较高储氘密度与良好热稳定性的前提下，提高涂层抗氢脆和储氘性能，最后在储氘薄膜表面沉积保护层，来提升储氘复合薄膜的抗氧化和抗碳化性能。

技术研发人员：杜淼,王树茂,李帅,米菁,郝雷,高殿超,范爱玲,许科
受保护的技术使用者：有研工程技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12