CN104499013A

CN104499013A - 一种rafm钢表面室温离子液体电镀铝的方法

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Publication number: CN104499013A
Application number: CN201410792576.6A
Authority: CN
Inventors: 向鑫; 王文轩; 张桂凯; 陈长安; 赖新春
Original assignee: Institute of Materials of CAEP
Current assignee: Institute of Materials of CAEP
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2015-04-08

Abstract

本发明公开了一种RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，目的在于解决目前采用无机熔盐电镀法或有机溶剂电镀法制备用于结构材料表面防护或装饰的铝镀层时，有机溶剂易燃、易爆、有毒，且有机溶剂电镀制备铝镀层质量不稳定，而无机熔盐电镀难以实现工业化生产的问题。采用本发明能够在RAFM钢表面制备出可镀性强、镀层均匀、结合力强的铝镀层，该方法具有简单、环保等优点，能够满足RAFM钢表面制备铝镀层的需要，尤其对聚变堆中大尺寸复杂形状RAFM钢结构件内外表面铝镀层的工程化制备具有重要意义。同时，本发明方法简单，能够降低企业生产成本。本发明首次采用室温离子液体电镀方法对RAFM钢进行表面镀铝处理，其是RAFM钢表面铝化物功能涂层制备的基础。

Description

一种RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法

技术领域

本发明涉及材料防护领域，尤其是RAFM钢表面防护领域，具体为一种RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法。本发明能够满足RAFM钢结构件内外表面的防护或装饰要求，尤其适用于大尺寸复杂形状RAFM钢结构件内外表面的防护或装饰。

背景技术

在聚变堆氚增殖包层及其辅助涉氚系统中，最有前景的候选结构材料为低活化铁素体/马氏体钢（简称RAFM钢，如F82H、Eurofer97、CLAM等）。然而，由于放射性氚具有低原子半径和较强的反应活性，其极易通过扩散渗入包层结构材料或通过结构材料渗入到其它系统或环境中，造成氚的放射性污染、燃料损失及材料的氢脆和氦脆等。同时，氚与氢一样，具有易燃、易爆的特性。因此，考虑到聚变堆的经济性、安全性和环境友好性，氚通过结构材料的渗透必须降低或消除。目前，除了可靠的包容和涉氚系统结构设计外，在结构材料表面涂覆一定厚度的阻氚涂层，是减少氚渗透的最有效措施之一。

在常见的阻氚涂层中，铝化物涂层被认为是最有实用前景的阻氚涂层。其一般制备过程如下：首先在结构材料表面制备铝涂层，然后通过一定的物理化学处理，形成铝浓度呈梯度分布的铝化物层，之后再经过高温氧化处理，使其外表面层形成氧化铝膜。因此，在结构材料表面制备铝涂层是铝化物阻氚涂层制备的首要步骤。

目前，铝涂层的制备方法主要有物理气相沉积、化学气相沉积、热浸铝、包埋渗铝、等离子体喷涂和电镀等。其中，电镀法制备铝涂层具有独特的优势，通过调整电镀工艺参数，可在大尺寸复杂形状结构件内、外表面形成致密的、厚度可达数百微米且可控的镀层。由于铝的标准电位比氢负，为-1.66 V，因此，电镀铝只能在无机熔盐、有机溶剂或离子液体等非水溶液体系中进行。有机溶剂易燃、易爆、有毒，且有机溶剂电镀层质量不稳定；而无机熔盐镀铝又存在温度高、操作复杂、能量消耗高、设备腐蚀严重等问题，不易实现工业化，具有较大的局限性。

相对于无机熔盐电镀和有机溶剂电镀，室温熔盐电镀因具有操作简单、低能耗、低腐蚀和环境友好等特点受到越来越多的关注。室温熔盐电镀采用离子液体作为电镀液，其具有熔点低、无可测蒸气压、无味、导电率高、电化学窗口宽、不燃、易与产物分离、易回收、可循环使用等一系列优点，因而在电沉积活泼金属等领域展现出良好的应用前景。

因此，本发明提供了一种RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对目前采用无机熔盐电镀法或有机溶剂电镀法制备用于结构材料的铝镀层时，有机溶剂易燃、易爆、有毒，且制备镀层质量不稳定，而无机熔盐电镀难以实现工业化生产的问题，及RAFM钢表面阻氚涂层的制备需要，提供一种RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法。采用本发明能够在RAFM钢表面制备出可镀性强、镀层均匀、结合力强且厚度可调的铝镀层，该方法具有简单易行、环保等优点，能够满足RAFM钢表面制备铝镀层的需要，尤其对于聚变堆中大尺寸复杂形状RAFM钢结构件内外表面铝镀层的工程化制备具有重要意义。同时，本发明方法简单，对于企业降低生产成本，也具有重要意义。本发明首次采用室温离子液体电镀对RAFM钢进行表面镀铝处理，其是RAFM钢表面铝化物功能涂层制备的基础，具有重要的意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，包括如下步骤：

（1）基体前处理：对RAFM钢基体表面进行前处理，将基体表面清洗干净；

（2）配置离子液体：在惰性气体保护下，将无水AlCl₃和有机盐搅拌均匀溶解后，得到离子液体；

（3）电镀铝：以铝为阳极，步骤1前处理后的RAFM钢基体为阴极，步骤2制备的离子液体为电镀液，进行电镀，得初产品；

（4）后处理：将步骤3制备的初产品清洗干净后，即得产品；

所述步骤2中，无水AlCl₃和有机盐摩尔比1~2:1，所述有机盐为氯化烷基咪唑；

所述步骤3中，电镀的电流密度为10~20 mA/cm²。

所述步骤2中，还包括苯，所述苯为无水AlCl₃、有机盐、苯三者总体积的40~50%。

所述氯化烷基咪唑为氯化1-甲基-3-乙基咪唑。

所述步骤3中，阳极为纯铝箔、纯铝丝或纯铝渡槽。

所述步骤3中，铝依次采用磷酸、甲醇、丙酮、无水乙醇超声清洗后，作为阳极，进行电镀。

所述步骤3中，电镀的同时对离子液体进行搅拌。

所述步骤3中，采用磁力搅拌离子液体，搅拌速率为100~200 r/min。

所述步骤1中，RAFM钢基体呈圆形、半圆形、月牙形、方形、梯形、多边形、圆柱形或环形。

所述步骤1中，对RAFM钢基体表面进行前处理，去除基体表面的油污和氧化膜层。

所述步骤4中，将步骤3制备的初产品分别采用有机溶剂、去离子水超声清洗后，进行干燥，即得产品。

RAFM钢基体经前处理后，立即放入低氧、低湿、惰性气体保护的环境中；铝经清洗后，立即放入低氧、低湿、惰性气体保护的环境中，作为阳极进行电镀。

本发明针对前述问题，提供一种RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，包括基体前处理、配置离子液体、电镀铝和后处理四个步骤。

步骤1中，以需要施镀的RAFM钢为基体，对基体表面进行前处理，去除基体表面的油污和氧化膜层。前处理后，RAFM钢基体经干燥后，立即转入惰性气体保护的低氧低湿手套箱中。

步骤2中，将无水AlCl₃和有机盐搅拌均匀溶解后，得到离子液体。其中，有机盐为氯化烷基咪唑，作为优选，氯化烷基咪唑为氯化1-甲基-3-乙基咪唑。氯化1-甲基-3-乙基咪唑的CAS号为：65039-09-0，英文简称为EMIC。进一步，离子液体还包括苯，以无水AlCl₃、有机盐、苯三者体积总和计，苯为体积总和的40~50%。本发明的离子液体，又称室温熔盐，其只含阴离子和阳离子，不含任何中性分子，熔点为25℃左右，具有熔点低、无可测蒸气压、无味、导电率高、电化学窗口宽、不燃、易与产物分离、易回收、可循环使用等特点。作为优选，无水AlCl₃和氯化1-甲基-3-乙基咪唑EMIC的摩尔比为1~2:1，形成酸性离子液体电镀液。而离子液体中的苯能够调节离子液体的导电性、粘滞性等，进一步提升铝镀层的致密度和均匀性，提高电镀性能。

步骤3中，以纯铝为阳极，步骤1前处理后的RAFM钢基体为阴极，步骤2制备的离子液体为电镀液，进行电镀，得初产品。其中，采用磁力搅拌离子液体，搅拌速率为100~200 r/min，电镀的电流密度为10~20 mA/cm²。本发明中，阴极的形状可以为圆形、半圆形、月牙形、方形、梯形、多边形、圆柱形、环形等。阳极为纯铝箔、纯铝丝或纯铝渡槽，铝的纯度为99.999%。电镀前，阳极需依次采用磷酸、甲醇、丙酮和无水乙醇超声清洗，去除表面的氧化膜层和油污。清洗后，纯铝阳极经干燥后，立即转入惰性气体保护的低氧低湿手套箱中。离子液体的搅拌采用磁力搅拌，以加速离子运动和物质交换，搅拌速率为100~200 r/min。本发明中，电镀的电流密度为10~20 mA/cm²，根据电流密度的大小，能够调节铝镀层的厚度。

步骤4中，将步骤3得到的初产品分别采用有机溶剂、去离子水超声清洗后，进行干燥，即得产品。进一步，有机溶剂为无水乙醇。

综上所述，本发明公开了一种RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，目前未见相关报道和专利。本发明首次在国内采用室温离子液体电镀技术对聚变堆氚增殖包层及其辅助涉氚系统最有前景的候选结构材料低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）进行表面镀铝处理，是RAFM钢表面铝化物功能涂层制备的基础，具有重要的意义。与传统的镀铝方法相比，本发明能够在RAFM钢表面制备出厚度在几微米~数百微米内、均匀可控的铝镀层，且低温制备减小了对基体力学性能和结构的影响，并能在大尺寸复杂形状结构件内外表面实现铝镀层的制备。申请人对本发明制备的铝镀层分别进行了微观形貌、金相、EDS、XRD分析，结构表明：本发明制备的铝镀层光滑、致密、结合力强、厚度可控，具有较好的性能。本发明可在室温下操作，工艺简单、易行，对环境友好，尤其适用于大尺寸复杂形状RAFM钢结构件内外表面铝镀层的制备。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是实施例子1的电镀铝镀层表面的低倍放大微观形貌图。

图2是实施例子1的电镀铝镀层表面的高倍放大微观形貌图。

图3是实施例子1的电镀铝镀层表面的截面金相图。

图4是实施例子1的电镀铝镀层表面的EDS分析结果图。

图5是实施例子1的电镀铝镀层表面的XRD分析结果图。

图6是实施例子2中Eurofer97钢容器表面的电镀铝涂层图。

图7是实施例子3中F82H钢圆片表面的电镀铝涂层图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

在CLAM钢表面进行室温离子液体电镀铝，具体操作过程如下。

选择长和宽均为20 mm，厚度为2 mm的CLAM钢片作为施镀对象。将CLAM钢基底使用砂纸由粗至细逐次打磨，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗去除表面油污和氧化膜层，干燥后，立即转入氩气保护低氧低湿手套箱中。

选择纯度为99.999%的高纯铝丝作为电镀阳极。将高纯铝丝绕制成与渡槽相同的形状，并分别采用磷酸、甲醇、丙酮和无水乙醇超声清洗，去除阳极表面的氧化膜层和油污。清洗后，纯铝阳极经干燥后，立即转入氩气保护低氧低湿手套箱中。

将无水AlCl₃和氯化1-甲基-3-乙基咪唑（EMIC）按摩尔比2:1搅拌均匀，得离子液体电镀液。以高纯铝丝为阳极，以CLAM钢基体为阴极。将基体在离子液体电镀液中充分浸入，并用磁力搅拌离子液体，搅拌速率为100~200 r/min。在室温下，接通电镀电源，进行电镀，电镀采用恒电流法，电流密度为10~20 mA/cm²。

电镀约1~1.5 h后断电，得初产品。将初产品依次用无水乙醇和去离子水超声清洗后，干燥，得产品。

本实施例子制得的CLAM钢表面有一层光滑致密的铝镀层。图1-5分别给出了制备铝镀层的低倍、高倍放大微观形貌图、截面金相图、EDS分析结果图、XRD分析结果图。从图1和图2中可以看到，铝镀层组织致密，无明显高低起伏。从图3中可以看出，中间狭长部分为铝镀层，其厚度均匀，基体与铝镀层之间无分层现象。从图4和图5可以看出，铝镀层中无夹杂，铝镀层与基体结合良好。

实施例子2

在Eurofer97钢表面室温离子液体电镀铝，具体操作过程如下。

选择规格为Φ20×1.5 mm，长100 mm，一端封闭的Eurofer97钢容器作为施镀对象。将Eurofer97钢容器外表面进行机械抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗去除表面油污和氧化膜层，干燥后，立即转入氩气保护低氧低湿手套箱中。

选择纯度为99.999%的高纯铝渡槽（Φ40×5 mm，长150 mm）作为电镀阳极。高纯铝渡槽的内表面分别采用磷酸、甲醇、丙酮和无水乙醇超声清洗，去除铝渡槽内表面的氧化膜层和油污。清洗后，纯铝渡槽经干燥后立即转入氩气保护低氧低湿手套箱中。

将无水AlCl₃和氯化1-甲基-3-乙基咪唑按摩尔比2:1搅拌均匀，得离子液体。以高纯铝渡槽本身为阳极，以Eurofer97钢容器为阴极。将Eurofer97钢容器在离子液体中充分浸入，并用磁力搅拌离子液体，搅拌速率为100~200 r/min。在室温下，接通电镀电源，进行电镀，电镀采用恒电流法，电流密度为10~20 mA/cm²。

本实施例子制得的Eurofer97钢容器表面有一层光滑致密的铝镀层，如图6所示。对该铝镀层进行微观形貌分析，结果表明：铝镀层组织致密，厚度均匀；进行截面金相图、EDS分析结果图、XRD分析结果图分析，结果表明：基体与铝镀层之间无分层现象，铝镀层与基体结合良好。

实施例子3

在F82H钢表面进行室温离子液体电镀铝，具体操作过程如下。

选择规格为Φ25×2 mm的F82H钢圆片作为施镀对象。将F82H钢圆片外表面进行机械抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗去除表面油污和氧化膜层，干燥后，立即转入氩气保护低氧低湿手套箱中。

选择纯度为99.999%的高纯铝箔作为电镀阳极。将高纯铝箔制作成与渡槽相同的形状，然后分别采用磷酸、甲醇、丙酮和无水乙醇超声清洗，去除表面的氧化膜层和油污。清洗后，纯铝箔经干燥后，立即转入氩气保护低氧低湿手套箱中。

将无水AlCl₃和氯化1-甲基-3-乙基咪唑按摩尔比2:1搅拌均匀，得离子液体。以高纯铝箔为阳极，以F82H钢圆片为阴极，离子液体为电镀液。将F82H钢圆片在离子液体中充分浸入，并用磁力搅拌离子液体，搅拌速率为100~200 r/min。在室温下，接通电镀电源，进行电镀，电镀采用恒电流法，电流密度为10~20 mA/cm²。

本实施例子制得的F82H钢圆片表面有一层光滑致密的铝镀层，如图7所示。对该铝镀层进行微观形貌分析，结果表明：铝镀层组织致密，厚度均匀；进行截面金相图、EDS分析结果图、XRD分析结果图分析，结果表明：基体与铝镀层之间无分层现象，铝镀层与基体结合良好。

采用本发明进行多次重复试验，结果表明：本发明制备的铝镀层组织致密、厚度均匀，与RAFM钢基体结合良好。这也进一步表明，本发明具有较好的可重复性，能够满足工业化应用的需求，具有广阔的市场前景。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述步骤3中，电镀的电流密度为10~20 mA/cm²。

2.根据权利要求1所述RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，其特征在于，所述步骤2中，还包括苯，所述苯为无水AlCl₃、有机盐、苯三者总体积的40~50%。

3.根据权利要求1或2所述RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，其特征在于，所述氯化烷基咪唑为氯化1-甲基-3-乙基咪唑。

4.根据权利要求1-3任一项所述RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，其特征在于，所述步骤3中，阳极为纯铝箔、纯铝丝或纯铝渡槽。

5.根据权利要求1所述RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，其特征在于，所述步骤3中，铝依次采用磷酸、甲醇、丙酮、无水乙醇超声清洗后，作为阳极，进行电镀。

6.根据权利要求1-5任一项所述RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，其特征在于，所述步骤3中，电镀的同时对离子液体进行搅拌。

7.根据权利要求1-6任一项所述RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，其特征在于，所述步骤3中，采用磁力搅拌离子液体，搅拌速率为100~200 r/min。

8.根据权利要求1所述RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，其特征在于，所述步骤1中，RAFM钢基体呈圆形、半圆形、月牙形、方形、梯形、多边形、圆柱形或环形。

9.根据权利要求1所述RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，其特征在于，所述步骤1中，对RAFM钢基体表面进行前处理，去除基体表面的油污和氧化膜层。

10.根据权利要求1-9任一项所述RAFM钢表面室温离子液体电镀铝的方法，其特征在于，所述步骤4中，将步骤3制备的初产品分别采用有机溶剂、去离子水超声清洗后，进行干燥，即得产品。