室溫熔鹽電沉積在核工業(yè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)研究.pdf

1、國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃中，包層模塊等關(guān)鍵部件表面需要制備阻氚涂層，以防止氚滲透。目前公認(rèn)最被認(rèn)可的阻氚涂層是具自修復(fù)性能的Al2O3/Fe-Al涂層，但如何在保持零部件力學(xué)性能的同時，適合異形件表面無缺陷阻氚涂層的制備，仍然是ITER計劃中的技術(shù)難題之一。本論文提出了一種阻氚涂層制備的新技術(shù)路線：首先通過室溫熔鹽電沉積技術(shù)在金屬表面鍍鋁；之后通過低溫?zé)崽幚碓诒砻嬷苽銯e-Al合金層；并進一步通過低溫氧化，在Fe-Al涂層表面

2、制備Al2O3膜。
　　 本文緊扣該技術(shù)路線，采用室溫熔鹽電沉積表面工程新技術(shù)和熱處理、氧化等技術(shù)，以及CV曲線、XRD、SEM、EDS、XPS等手段，深入研究了不同金屬基體上前處理工藝及電沉積參數(shù)等對室溫熔鹽電沉積鋁鍍層結(jié)合力及形貌的影響，探討了熱處理溫度、時間，以及基體成分、結(jié)構(gòu)、表面粗糙度等因素對Fe-Al涂層組成及相轉(zhuǎn)變的影響規(guī)律，詳細(xì)考察了基體與涂層之間空洞的形成機理及影響因素，并對不同金屬基體上Fe-Al涂層的氧化進

3、行了研究，對所得涂層進行了阻氚性能測試。得到了以下結(jié)果：
　　 利用酸性AlCl3-EMIC室溫熔鹽對201、HR-2奧氏體和1Cr17鐵素體不銹鋼基體進行1 A/dm2、30 min陽極活化處理，可去除表面氧化膜；活化電流密度過低，基體產(chǎn)生局部腐蝕；更高的電流密度會導(dǎo)致鍍液分解。室溫下、0.5～3 A/dm2電流密度電沉積，可得到致密鋁鍍層，電流密度增加，晶粒細(xì)小，過高產(chǎn)生樹枝狀析出.電流密度2 A/dm2時，5～40 min

4、內(nèi)，電流效率接近100％，鋁鍍層厚度與時間成線性上升關(guān)系；可通過控制電沉積時間制備不同厚度的鋁鍍層。
　　 201奧氏體不銹鋼上17μm的鋁鍍層，經(jīng)620℃～680℃低溫?zé)崽幚?，可獲得含鉻、鎳、錳合金元素的Fe-Al涂層。高于鋁熔點時，在2～240 min范圍內(nèi)，隨熱處理時間增加，鋁層逐漸消失，F(xiàn)eAl3和Fe2Al5相繼形成；鋁層完全消失后，擴散以FeAl3為鋁源繼續(xù)進行，F(xiàn)e2Al5相厚度繼續(xù)增加，同時在基體和鍍層之間形成F

5、eAl相。低于鋁熔點時，涂層組織轉(zhuǎn)變有同樣的規(guī)律，只是所需時間更長。當(dāng)基體為1Cr17鐵素體及HR-2奧氏體不銹鋼時，熱處理溫度及時間對鋁鍍層組織轉(zhuǎn)變的影響規(guī)律相似。依擴散理論計算可知，鋁鍍層較薄時，可通過低溫短時間熱處理制備韌性的FeAl涂層。HR-2上4μm的薄鋁鍍層經(jīng)670℃、4h熱處理后，可得到厚度均勻的韌性FeAl層，F(xiàn)eAl層及界面中無裂紋、空洞等缺陷。
　　 不同基體對低溫?zé)崽幚碇苽涞腇e-Al涂層形貌有較大影響，

6、各Fe-Al合金相中都固溶基體中的鉻、錳、鎳合金元素。基體中合金元素鉻、鎳、錳等的存在抑制了Fe2Al5相的舌狀生長，使201、HR-2奧氏體和1Cr17鐵素體不銹鋼上Fe-Al涂層與基體的界面平坦。FeAl層厚度與熱處理時間關(guān)系曲線遵循拋物線關(guān)系，基體的不同影響FeAl相的生成速度：1Cr17鐵素體基體上FeAl相的生成速度最慢，而Q235基體上FeAl相的生成速度最快。
　　 鍍鋁基體在熱處理時，會在FeAl相/基體界面上形

7、成空洞。空洞的形成與熱處理的溫度、時間、基體粗糙度、晶體結(jié)構(gòu)和合金元素等因素有關(guān)。鍍鋁的1Cr17基體在低于鋁熔點的640℃下熱處理100 h而無空洞，而在高于鋁熔點的670℃熱處理時，20 h便可觀察到空洞，50 h出現(xiàn)明顯的圓形空洞；粗糙基體表面增加了鋁的擴散通量，更易產(chǎn)生空洞，1Cr17噴砂粗化鍍鋁后，670℃熱處理20 h的空洞形貌與拋光態(tài)鍍鋁熱處理50 h相似；面心立方結(jié)構(gòu)的HR-2和201奧氏體不銹鋼較體心立方結(jié)構(gòu)的1Cr1

8、7不易形成空洞；HR-2即使噴砂處理，740℃、24 h熱處理也觀察不到空洞。采用室溫熔鹽鍍鋁制備鋁化物涂層時，鋁鍍層越薄，鋁的濃度梯度下降快，同時鋁鍍層薄，可采用低的熱處理溫度，這些因素都有利于抑制空洞的形成。
　　 1Cr17不銹鋼上鍍鋁+熱處理制備的Fe-Al涂層，可以在740℃大氣氣氛氧化獲得Al2O3，但氧化膜中含有Fe2O3，且涂層與基體之間存在明顯的空洞缺陷。HR-2不銹鋼上鍍鋁+熱處理制備的Fe-Al涂層，在69

9、0℃～740℃大氣氣氛氧化，涂層與基體之間沒有空洞等缺陷，得到的氧化膜中含F(xiàn)e2O3和Al2O3；在10-2 Pa低氧勢環(huán)境下，經(jīng)700℃、80 h氧化，可在表面得到完整的Al2O3膜，低氧勢環(huán)境氧化可抑制鐵氧化物的形成；Fe－Al涂層中鉻的存在促進完整Al2O3膜的形成。740℃對涂層阻氚性能進行測試，所得涂層滲透率降低因子PRF可達431。因而室溫熔鹽鍍鋁可以在不銹鋼表面制備性能優(yōu)異的阻氚涂層，是一條適合異型件表面阻氚鍍層制備的新技

10、術(shù)路線。
　　 本文還在室溫熔鹽鍍鋁成功應(yīng)用于ITER計劃中阻氚涂層制備的基礎(chǔ)上，利用AlCl3-EMIC室溫熔鹽無水、無氧的特點，以易氧化的核材料耐蝕保護為目標(biāo)，以化學(xué)性質(zhì)活潑的La-Ce稀土與AZ91D鎂合金為對象，進行了室溫熔鹽鍍鋁的研究，重點考察鍍層與基體的結(jié)合，得到以下重要的結(jié)論：La-Ce稀土在煤油中進行打磨，并在氬氣保護氣氛中烘干，可有效去除表面氧化膜，并防止氧化膜的再產(chǎn)生；而AZ91D鎂合金通過濃度為10wt.％