室溫熔鹽電沉積在核工業(yè)應用中的基礎研究.pdf

1、國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃中，包層模塊等關鍵部件表面需要制備阻氚涂層，以防止氚滲透。目前公認最被認可的阻氚涂層是具自修復性能的Al2O3/Fe-Al涂層，但如何在保持零部件力學性能的同時，適合異形件表面無缺陷阻氚涂層的制備，仍然是ITER計劃中的技術難題之一。本論文提出了一種阻氚涂層制備的新技術路線：首先通過室溫熔鹽電沉積技術在金屬表面鍍鋁；之后通過低溫熱處理在表面制備Fe-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。
　　 本文緊扣該技術路線，采用室溫熔鹽電沉積表面工程新技術和熱處理、氧化等技術，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等對室溫熔鹽電沉積鋁鍍層結合力及形貌的影響，探討了熱處理溫度、時間，以及基體成分、結構、表面粗糙度等因素對Fe-Al涂層組成及相轉變的影響規(guī)律，詳細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，基體產生局部腐蝕；更高的電流密度會導致鍍液分解。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，晶粒細小，過高產生樹枝狀析出.電流密度2 A/dm2時，5～40 min

4、內，電流效率接近100％，鋁鍍層厚度與時間成線性上升關系；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620℃～680℃低溫熱處理，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，隨熱處理時間增加，鋁層逐漸消失，FeAl3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，Fe2Al5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，涂層組織轉變有同樣的規(guī)律，只是所需時間更長。當基體為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670℃、4h熱處理后，可得到厚度均勻的韌性FeAl層，FeAl層及界面中無裂紋、空洞等缺陷。
　　 不同基體對低溫熱處理制備的Fe-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?；w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系曲線遵循拋物線關系，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、晶體結構和合金元素等因素有關。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；面心立方結構的HR-2和201奧氏體不銹鋼較體心立方結構的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Fe2O3和Al2O3；在10-2 Pa低氧勢環(huán)境下，經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、術路線。
　　 本文還在室溫熔鹽鍍鋁成功應用于ITER計劃中阻氚涂層制備的基礎上，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，以化學性質活潑的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合，得到以下重要的結論：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生；而AZ91D鎂合金通過濃度為10wt.％