一种金属管内壁氧化铬‑氧化铝复合涂层制备方法与流程

本发明属于功能氧化物陶瓷涂层及核聚变技术领域，具体涉及一种氧化铬-氧化铝复合涂层及其制备方法。

背景技术：

核聚变反应装置在实际设计过程中要考虑到氚向环境渗透的问题，氚透过结构材料向外渗透不仅会导致氚的损失，同时引起放射性危害，还会因其同位素易燃、易爆而引发安全问题，因此在结构材料表面制备阻氚涂层是解决氚包容容器中氚渗透的有效措施之一。金属氧化物涂层是一种良好的功能陶瓷材料，既具有阻氚渗透的功能，又具有防腐蚀的功能。

常见的具有上述功能的金属氧化物有：cr2o3、y2o3、er2o3、al2o3、sio2等。al2o3具有多种相结构，其中α-al2o3相最为致密、稳定，是一种良好的阻氚渗透涂层候选材料。但是，金属基体与氧化物间存在较大的热胀系数差异，容易产生热失配问题进而导致氧化物涂层脱落。同时，在核聚变反应装置中，氚容器通常具有管状通道，因此，需要在管状基体的内壁上进行涂层的制备。相对于平面或外表面的涂层制备，内壁涂层更不易结合牢固、不易制备均匀。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是通过本发明针对现有复合涂层制备工艺中存在的不足，主要解决的技术问题为在金属管内壁获得氧化铬-氧化铝复合氧化物涂层。将化学电镀、熔盐电沉积和微弧氧化技术相结合，寻找合适的制备工艺参数，获得具有过渡层的复合氧化物阻氚涂层，该涂层均匀、致密、孔隙率低、与基体结合能力较好，且该涂层具有良好的机械性能和热稳定性能。

根据本发明的一个方面，提供了一种氧化铬-氧化铝复合涂层，所述氧化铬-氧化铝复合涂层位于管状金属基体内壁，所述氧化铬-氧化铝复合涂层从内向外依次为：cucr/(al,cr)2o3/al2o3，厚度为10-40μm。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种氧化铬-氧化铝复合涂层的制备方法，所述方法包括如下步骤：

在管状金属基体内壁化学电镀铬；

在镀铬的所述管状金属基体内壁熔盐电沉积铝；

将所述镀铬及沉积铝的管状金属基体进行微弧氧化，得到氧化铬-氧化铝复合涂层。

上述方案中，所述在管状金属基体内壁化学电镀铬，进一步为：

配置的镀铬溶液ph调节在2.5-3.5之间，温度保持在25-45℃范围内，电源采用直流电，电镀过程中电流密度为30-50a/dm²，频率为1000hz，时间为10-60min。

上述方案中，所述在镀铬的管状金属基体内壁熔盐电沉积铝，进一步为：

将所述管状金属基体放入到nacl-kcl-alcl3三元系无机熔盐中进行熔盐电镀，温度控制在160-220℃之间，金属管为阴极，纯度高于99.9%的工业纯铝条为阳极，采用直流与脉冲相结合的方式进行电沉积纯铝，直流电电流密度30-50a/dm²，频率1000hz，时间1-2h；脉冲电源电流密度50-100a/dm²，频率1000hz，时间10-20h，占空比80%。

上述方案中，所述将所述镀铬及沉积铝的管状金属基体进行微弧氧化，得到氧化铬-氧化铝复合涂层，进一步为：

将具有铬-铝复合涂层所述管状金属基体放置在配置好的微弧氧化溶液中进行氧化，先将硅酸钠、氢氧化钾、氟化钾、丙三醇、偏钒酸铵等按比例配制成ph为8-10的溶液，温度控制在20-60℃，电参数为正向电压400-450v，频率300-500hz，正、负占空比分别是30%和20%，处理时间为10-30min，在管状金属基体的内壁获得均匀致密、孔隙率低的氧化铬-氧化铝复合涂层。

上述方案中，所述管状金属基体为外径20-30mm，内径16-26mm的铜管。

本发明具有如下有益效果：

本发明实施例的氧化铬-氧化铝复合涂层，位于管状金属铜基体内壁，所述复合涂层从内向外依次为：cucr/(al,cr)2o3/al2o3，厚度为10-40μm。所述制备方法结合了化学电镀铬、熔盐电沉积铝及微弧氧化技术，使三种不同的金属存在至少两种两相涂层，分别为cu-cr涂层和cr-al涂层，随着氧化反应的进行，在金属铜基体与内壁的al2o3之间会形成cucr/(al,cr)2o3过渡层，所述过渡层厚度在3-5μm之间，具有梯度的功能，可以有效提高不同涂层的结合能力，有效降低由于热失配而导致的氧化物脱落问题，所制备的氧化铬-氧化铝复合涂层，成分均匀，与管内壁结合紧密，不易脱落，高温机械性能稳定。将所述氧化铬-氧化铝复合涂层应用在核聚变阻氚领域，可以有效阻止氚渗透，且具有较长的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1氧化铬-氧化铝复合涂层制备方法流程图。

图2为本发明实施例1的熔盐电沉积铝装置示意图。

图3为本发明实施例1的铬-铝复合涂层的xrd图谱。

图4为本发明实施例1的氧化铬-氧化铝复合涂层的xrd图谱。

图5为本发明实施例1的镀铬样品微观形貌。

图6为本发明实施例1的铬-铝复合涂层的sem。

图7为本发明实施例1氧化铬-氧化铝复合涂层的sem。

图8为本发明实施例1氧化铬-氧化铝复合涂层侧切面sem。

图9为本发明实施例1氧化铬-氧化铝复合涂层的eds分析结果，（a）为分析时选取的范围，标记为001；（b）对应截取范围001的eds元素分析图。

图10为本发明实施例1氧化铬-氧化铝复合涂层纳米划痕结合力测试结果。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明技术问题、技术方案和优点将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

本发明针对现有复合涂层制备工艺中存在的不足，主要解决的技术问题为在金属管内壁获得氧化铬-氧化铝复合氧化物涂层。将化学电镀、熔盐电沉积和微弧氧化技术相结合，寻找合适的制备工艺参数，获得具有过渡层的复合氧化物阻氚涂层，该涂层均匀、致密、孔隙率低、与基体结合能力较好，且该涂层具有良好的机械性能和热稳定性能。

本发明以铜基体为例，在管状金属铜内壁上进行涂层的涂覆。在金属铜基体与al2o3氧化物涂层间引入金属铬层，形成cucr/(al,cr)2o3梯度功能过渡层，可以有效阻止氚渗透，而且显著提高了氧化物涂层与金属基体的结合性能。

在金属基体上制备铬或铝涂层的方法有很多，常见方法包括：cvd(化学气相沉积)、vps（真空等离子喷涂）、eca（电化学沉积）等，其中针对金属铝的制备还有pc（包埋渗铝）及had（热浸铝）等方法。

管状金属内壁结构较平面或外表面更加复杂性，要获得氧化物涂层的均匀性及制备工艺的稳定性，本发明采用在溶液中电镀金属铬，然后在无机熔盐中电沉积金属铝，得到铬-铝复合涂层。电镀金属铬过程中，调节溶液的ph、温度、时长以及电参数，控制金属铬的形貌及厚度。本发明实施例中获得的金属铬为光亮铬或灰白铬。熔盐电镀分为无机熔盐体系和有机熔盐体系，本发明实施例中采用nacl-kcl-alcl3三元系无机熔盐并将直流与脉冲电流相结合的方法制备纯铝涂层。熔盐电沉积铝的过程中温度较高且时间较长，这对于双层复合材料来说相当于低温热处理，且过程中伴随着反应扩散。两种不同的金属在一定温度下相互接触时，会以单质形式向对方基体扩散，形成固溶合金相界面，长时间热处理会形成合金固溶体层。本发明中三种不同的金属存在至少两种两相涂层，分别为cu-cr涂层和cr-al涂层，随着氧化反应的进行，在金属铜基体与内壁的al2o3之间会形成cucr/(al,cr)2o3过渡层，所述过渡层厚度在3-5μm之间，具有梯度的功能，可以有效提高不同涂层的结合能力，有效降低由于热失配而导致的氧化物脱落问题。因此，采用化学电镀及熔盐电沉积法，可以在金属管内壁要想获得均匀致密、结合力良好的涂层。

微弧氧化是在阳极氧化基础上发展起来的纯铝（或铝合金）表面改性技术。它使电化学生成的氧化膜在高温高压下发生相和结构的变化，这不仅会导致氧化膜更加致密，而且硬度及耐磨性也大大提高。当纯铝涂层表面施加的电压超过一定范围时，氧化铝涂层会被击穿并伴随辉光放电、微弧及火花放电等现象。辉光放电形成温度比较低，对氧化膜结构影响不大；火花放电温度很高，会使纯铝表面融化并发射出大量离子，进而导致表面凹坑或麻点等严重的质量缺陷；只有微弧区的温度适中，既可以使氧化膜的结构发生改变，又不破坏材料表面。微弧直径一般在几个微米到几十个微米，本发明实施例采用微弧氧化技术，在10-40μm的铬-铝复合涂层上得到均匀、致密、缺陷较少的氧化物涂层。

本发明实施例的氧化铬-氧化铝复合涂层，位于管状金属铜基体内壁，所述复合涂层从内向外依次为：cucr/(al,cr)2o3/al2o3，厚度为10-40μm。该涂层成分分布均匀，与管内壁结合紧密，不易脱落，有效的解决了热失配导致的氧化物脱落，与基体具有良好的结构相容性，高温机械性能稳定。将所述氧化铬-氧化铝复合涂层应用在核聚变阻氚领域，可以有效阻止氚渗透，且具有较长的使用寿命。

本发明实施例通过下述过程制备所述氧化铬-氧化铝复合涂层：

首先在金属管的内壁，通过化学电镀的方式，镀一层厚度在3-5μm的金属铬，电源采用直流电，配置的镀铬溶液ph调节在2.5-3.5之间，温度保持在25-45℃范围内，该涂层具有银色金属光泽，由于ph的影响有时会呈现出灰白色，涂层均匀、致密，无漏镀、烧蚀的现象。电镀过程中电流密度为30-50a/dm²,频率为1000hz，时间为10-60min；

然后将该金属管放入到nacl-kcl-alcl3三元系无机熔盐中进行熔盐电镀，温度控制在160-220℃之间，金属管为阴极，工业纯铝条(纯度高于99.9%)为阳极，采用直流与脉冲相结合的方式进行电沉积纯铝，直流电电流密度30-50a/dm²，频率1000hz，时间1-2h；脉冲电源电流密度50-100a/dm²，频率1000hz，时间10-20h，占空比80%，铝镀层纯度高于99%，涂层呈现亮白色且该涂层均匀致密；

最后将上述具有铬-铝复合涂层的样品，放置在配置好的微弧氧化溶液中进行氧化，一定时间后即可在管状金属基体的内壁获得均匀致密、孔隙率低的涂层。

优选的，本发明中使用的金属管为铜管，尺寸为外径28mm，内径24mm，壁厚2mm，长度有两种分别为10mm和20mm。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解,以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

本实施例提供了一种氧化铬-氧化铝复合涂层及其制备方法。

图1所示为本实施例氧化铬-氧化铝复合涂层制备方法流程图。如图1所示，本实施例的氧化铬-氧化铝复合涂层制备方法，包括以下步骤：

（1）对金属基材进行预处理。

优选的，本实施例中金属基材为外径28mm，内径24mm，壁厚2mm的铜管，长度有两种，分别为10mm和20mm。

金属基材的预处理包括砂纸打磨、除油及活化。打磨依次经过400、800、1000、1200、1500、2000目砂纸打磨至无明显划痕，而后进行机械抛光20min，抛光后依次经过酒精和去离子水超声清洗，而后在70℃的碱溶液中进行除油处理5min，最后将基体在3%的硫酸混合溶液中活化15s，活化后吹干。

（2）化学电镀铬。

优选的，本实施例配方选择硫酸系水溶液，其中主要成分为九水硫酸铬、硫酸钠、甲酸铵、草酸铵、十二烷基硫酸钠、抗坏血酸等，按比例配制成1000ml溶液，其中主要成分及浓度为：九水硫酸铬120g/l；硫酸钠130g/l；甲酸铵40g/l；草酸铵15g/l；十二烷基苯磺酸钠0.02g/l；vc（抗坏血酸）12g/l。ph调节在3，温度保持在35℃，电流密度为42a/dm²,频率为1000hz，电镀时间为30min。电镀过程中采用直流电源，阳极为高纯石墨材料，阴极为活化待用的铜。施镀后的样品去离子水超声清洗并烘干待用。

（3）熔盐电沉积铝。

优选的，本实施例在nacl-kcl-alcl3三元系无机熔盐中进行，三种金属盐均不含结晶水。由于alcl3极易吸收水分，所以在称量过程中要尽量避免长时间与空气接触。

图2为本实施例的熔盐电沉积铝装置示意图。如图2所示，nacl：kcl:alcl3按质量比1:1:8混料并加热到200℃，完全融化的混合盐呈透明状。将镀铬铜管放入到该熔盐中，电沉积过程依次采用直流和脉冲电源，直流电电流密度40a/dm²，频率1000hz，时间1.5h；脉冲电源电流密度60a/dm²，频率1000hz，时间15h，占空比80%。电镀过程中阳极为工业纯铝，纯度高于99.9%，阴极为镀铬铜管。将施镀后的样品去离子水超声清洗并烘干。铬-铝复合涂层宏观形貌覆盖均匀，呈银白色。

（4）微弧氧化。

优选的，本实施例微弧氧化在溶液环境中进行。先将硅酸钠、氢氧化钾、氟化钾、丙三醇、偏钒酸铵等按比例配制成ph为9的溶液，主要成分浓度为：硅酸钠18g/l；氢氧化钾3.5g/l；氟化钾20g/l；偏钒酸铵15g/l；丙三醇7.5/l。温度控制在40℃，将样品放入该溶液中进行氧化处理，电参数为正向电压420v；频率400hz；正、负占空比分别是30%和20%，处理时间为20min，最后将氧化处理的样品超声清洗烘干。

对上述过程中，铬-铝复合涂层和氧化铬-氧化铝复合涂层进行x射线衍射分析，图3为铬-铝复合涂层的xrd图谱，图4为氧化铬-氧化铝复合涂层的xrd图谱。如图3和图4所示，铬-铝复合物涂层主要成分为al9cr4和al8cr5；氧化铬-氧化铝复合涂层主要成分为α-al2o3和γ-al2o3，另外还测试到al7cr4o3合金过渡层。

为了更直观的观察样品形貌，对所制备的涂层进行扫描电镜测试。图5为镀铬样品微观形貌，如图5所示，样品表面均匀的镀上一层金属铬，涂层呈银白色，且涂覆均匀无漏镀或烧蚀现象。图6为铬-铝复合涂层的sem，如图6所示，铝涂层能够较好的连接生长形成均匀、致密的结构。图7为氧化铬-氧化铝复合涂层的sem，涂层呈灰白色，均匀致密。

同时，对涂层的侧切面进行扫描电镜及eds分析，图8为氧化铬-氧化铝复合涂层侧切面sem。如图8所示，涂层与基体紧密连接，厚度在11.28μm。图9为氧化铬-氧化铝复合涂层的eds分析结果，如图9所示，（a）为选取的测试平面，标记为001，（b）为对应001范围的元素分析，氧化铬-氧化铝复合涂层主要成分元素为铜、铬、铝、氧，不含其它杂质成分。

图10为本实施例了氧化铬-氧化铝复合涂层纳米划痕结合力测试结果。如图所示，随着涂层厚度的增加及氧化物涂层的形成，涂层结合力逐渐增大，这也与复合氧化物涂层形成过渡层有关，过渡层的存在，提高了涂层与基体的结合能力。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

实施例2

本实施例提供了一种氧化铬-氧化铝复合涂层及其制备方法。

图1所示为本实施例氧化铬-氧化铝复合涂层制备方法流程图。如图1所示，本实施例的氧化铬-氧化铝复合涂层制备方法，包括以下步骤：

（1）对金属基材进行预处理。

优选的，本实施例中金属基材为外径28mm，内径24mm，壁厚2mm的铜管，长度有两种，分别为10mm和20mm。

金属基材的预处理包括砂纸打磨、除油及活化。打磨依次经过400、800、1000、1200、1500、2000目砂纸打磨至无明显划痕，而后进行机械抛光20min，抛光后依次经过酒精和去离子水超声清洗，而后在70℃的碱溶液中进行除油处理5min，最后将基体在3%的硫酸混合溶液中活化15s，活化后吹干。

（2）化学电镀铬。

优选的，本实施例配方选择硫酸系水溶液，其中主要成分为九水硫酸铬、硫酸钠、甲酸铵、草酸铵、十二烷基硫酸钠、抗坏血酸等，按比例配制成1000ml溶液，其中主要成分及浓度为：九水硫酸铬100g/l；硫酸钠110g/l；甲酸铵30g/l；草酸铵10g/l；十二烷基苯磺酸钠0.01g/l；vc（抗坏血酸）10g/l。ph调节在2.6，温度保持在35℃，电流密度为35a/dm²,频率为1000hz，电镀时间为20min。电镀过程中采用直流电源，阳极为高纯石墨材料，阴极为活化待用的铜。施镀后的样品去离子水超声清洗并烘干待用。

（3）熔盐电沉积铝。

优选的，本实施例在nacl-kcl-alcl3三元系无机熔盐中进行，三种金属盐均不含结晶水。由于alcl3极易吸收水分，所以在称量过程中要尽量避免长时间与空气接触。

图2为本实施例的熔盐电沉积铝装置示意图。如图2所示，nacl：kcl:alcl3按质量比1:1:8混料并加热到180℃，完全融化的混合盐呈透明状。将镀铬铜管放入到该熔盐中，电沉积过程依次采用直流和脉冲电源，直流电电流密度30a/dm²，频率1000hz，时间1h；脉冲电源电流密度50a/dm²，频率1000hz，时间12h，占空比80%。电镀过程中阳极为工业纯铝，纯度高于99.9%，阴极为镀铬铜管。将施镀后的样品去离子水超声清洗并烘干。铬-铝复合涂层宏观形貌覆盖均匀，呈银白色。

（4）微弧氧化。

优选的，本实施例微弧氧化在溶液环境中进行。先将硅酸钠、氢氧化钾、氟化钾、丙三醇、偏钒酸铵等按比例配制成ph为8.5的溶液，主要成分浓度为：硅酸钠15g/l；氢氧化钾3g/l；氟化钾15g/l；偏钒酸铵10g/l；丙三醇6g/l。温度控制在30℃，将样品放入该溶液中进行氧化处理，电参数为正向电压410v；频率350hz；正、负占空比分别是30%和20%，处理时间为15min，最后将氧化处理的样品超声清洗烘干。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

实施例3

本实施例提供了一种氧化铬-氧化铝复合涂层及其制备方法。

图1所示为本实施例氧化铬-氧化铝复合涂层制备方法流程图。如图1所示，本实施例的氧化铬-氧化铝复合涂层制备方法，包括以下步骤：

（1）对金属基材进行预处理。

优选的，本实施例中金属基材为外径28mm，内径24mm，壁厚2mm的铜管，长度有两种，分别为10mm和20mm。

金属基材的预处理包括砂纸打磨、除油及活化。打磨依次经过400、800、1000、1200、1500、2000目砂纸打磨至无明显划痕，而后进行机械抛光20min，抛光后依次经过酒精和去离子水超声清洗，而后在70℃的碱溶液中进行除油处理5min，最后将基体在3%的硫酸混合溶液中活化15s，活化后吹干。

（2）化学电镀铬。

优选的，本实施例配方选择硫酸系水溶液，其中主要成分为九水硫酸铬、硫酸钠、甲酸铵、草酸铵、十二烷基硫酸钠、抗坏血酸等，按比例配制成1000ml溶液，其中主要成分及浓度为：九水硫酸铬140g/l；硫酸钠145g/l；甲酸铵45g/l；草酸铵18g/l；十二烷基苯磺酸钠0.03g/l；vc（抗坏血酸）15g/l。ph调节在3.2，温度保持在35℃，电流密度为45a/dm²,频率为1000hz，电镀时间为60min。电镀过程中采用直流电源，阳极为高纯石墨材料，阴极为活化待用的铜。施镀后的样品去离子水超声清洗并烘干待用。

（3）熔盐电沉积铝。

优选的，本实施例在nacl-kcl-alcl3三元系无机熔盐中进行，三种金属盐均不含结晶水。由于alcl3极易吸收水分，所以在称量过程中要尽量避免长时间与空气接触。

图2为本实施例的熔盐电沉积铝装置示意图。如图2所示，nacl：kcl:alcl3按质量比1:1:8混料并加热到210℃，完全融化的混合盐呈透明状。将镀铬铜管放入到该熔盐中，电沉积过程依次采用直流和脉冲电源，直流电电流密度45a/dm²，频率1000hz，时间2h；脉冲电源电流密度65a/dm²，频率1000hz，时间18h，占空比80%。电镀过程中阳极为工业纯铝，纯度高于99.9%，阴极为镀铬铜管。将施镀后的样品去离子水超声清洗并烘干。铬-铝复合涂层宏观形貌覆盖均匀，呈银白色。

（4）微弧氧化。

优选的，本实施例微弧氧化在溶液环境中进行。先将硅酸钠、氢氧化钾、氟化钾、丙三醇、偏钒酸铵等按比例配制成ph为9.5的溶液，主要成分浓度为：硅酸钠25g/l；氢氧化钾4.5g/l；氟化钾30g/l；偏钒酸铵20g/l；丙三醇8.5g/l。温度控制在50℃，将样品放入该溶液中进行氧化处理，电参数为正向电压440v；频率450hz；正、负占空比分别是30%和20%，处理时间为30min，最后将氧化处理的样品超声清洗烘干。

对上述过程中，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。