CN114318442B - 脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及一种脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置及制备方法。该装置包括伺服电机、卷缆器、缆绳、储液槽、施镀仓、密封胶圈、阳极管套、吸液棉毛毡、阳极导电螺栓、阴极导电探针、脉冲电源、管口导缆防磨滚轮套，由伺服电机和卷缆器通过缆绳牵引施镀仓在管道内往复运动，施镀仓外部吸液棉毛毡紧贴管道内壁施镀，电解液储存供给循环过滤系统向施镀仓供给电解液，脉冲电源通过阳极导电螺栓及阴极导电探针在管道内壁与施镀仓接触部位产生电场，使电解液中阳离子沉积在管道内壁表面形成镀层。通过调整进给速度、电流密度、电解液循环速度、pH、温度等，制备出均匀性好、结构致密、膜基结合力好的管道内壁镀层。

Description

脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置及制备方法

技术领域

本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及一种脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置及制备方法。

背景技术

电化学沉积技术是指电解液中的正负离子在外电场的作用下发生迁移，迁移至阴极基体材料上的金属离子所发生的氧化还原反应，从而获得金属镀层的技术。其基本历程分为：液相传质、前置转化、电荷传递、电结晶。因其可在基体表面获得结合力好、且与基体材料性能不同的金属镀层，达到抗腐蚀、耐磨损、提高性能等目的而被广泛应用。目前，电化学沉积技术在金属管道镀覆中常用的技术有：槽镀法、阳极深入管道法、等离子电镀法等，但是这些技术仍存在很多不足的地方。如：受限于镀槽形状难以实现较长的金属管道镀覆；金属管道内壁难以实现均匀镀覆；较长的金属管道内壁中阳极丝难以深入；阴阳极比例差距过大而导致的阳极钝化等，都导致了金属管道内壁施镀难度的增加以及施镀效果较差。随着金属管类应用的日益增加，金属管类内壁防护技术也急需技术上的突破，例如：输水输油管道内壁的防腐需求，起重机液压缸筒内壁的修复及耐磨镀层防护需求等。所以，金属管内壁镀覆急需一种新的工艺技术及施镀装置。

电刷镀技术是与电化学沉积技术原理相类似，并在基体表面形成金属镀层的一种技术。电刷镀与电化学沉积相比，其不同在于：镀笔与基体始终保持着相对运动，镀笔蘸取电解液在基体待镀表面接触时，镀笔内的电解液在电场作用下发生瞬间放电结晶，操作镀笔在基体表面进行往复运动，连续不断的快速沉积形成金属镀层。电刷镀相比电化学沉积技术操作更加灵活、工艺简单、设备简单、摆脱了镀槽的限制，因此该技术在应用中更具扩展性。

通过对国内外相关文献的检索查阅，当前研究主要是在将金属管道放入镀槽中进行电化学沉积，或是将细长阳极丝深入金属管道内部，并通入电解液进行电化学沉积，或是搭建特殊电沉积装置，进行管道内壁镀覆试验。现有技术中，电化学沉积技术在金属管道内壁镀覆沉积时存在一定的局限性，如：金属管道内壁难以电沉积，电沉积阴阳极差距过大导致阳极钝化，沉积层组织及厚度不均匀等。

发明内容

本发明目的是提供一种脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置及制备方法，通过电刷镀技术特点及电化学沉积技术原理相结合的施镀工艺，来制备金属管道内壁沉积层，改善金属管道内壁难以电沉积，电沉积阴阳极差距过大导致阳极钝化，沉积层组织及厚度不均匀等问题，一定程度上改善管道内壁难以电化学沉积镀覆的问题，使管道内壁沉积层均匀性好、结构致密、膜基结合力好。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置，施镀仓内腔设置回液仓、进液仓，施镀仓的一端开设回液仓回液口、进液仓进液口，回液仓回液口的一端通过管路在进液仓内部穿过，并与回液仓相连通，回液仓回液口的另一端通过回液管与储液槽相连通，回液管上安装过滤器、回液泵；进液仓进液口的一端与进液仓相连通，进液仓进液口的另一端通过供液管与储液槽相连通，供液管上安装供液泵；

施镀仓的两端为圆盘形结构且与管道同轴，所述圆盘形结构的侧面安装密封胶圈，圆盘形结构通过密封胶圈与管道内壁之间形成动密封；施镀仓的侧壁为圆柱形结构且与管道同轴，所述圆柱形结构两端分别与所述圆盘形结构一体连接，圆盘形结构的外径大于圆柱形结构的外径，使施镀仓的两端、侧壁之间形成环形槽结构，所述环形槽结构中由内至外依次安装阳极管套、吸液棉毛毡，吸液棉毛毡与管道相对应且紧密接触；回液仓的侧壁开设施镀仓回液孔，施镀仓回液孔与阳极管套侧壁的通孔相对应，使回液仓与吸液棉毛毡相通；进液仓的侧壁开设施镀仓出液孔，施镀仓出液孔与阳极管套侧壁的通孔相对应，使进液仓与吸液棉毛毡相通；

施镀仓的一端安装阳极导电螺栓、阴极导电探针，其中：进液仓内靠近回液仓回液口、进液仓进液口的一侧沿径向安装连杆，连杆径向穿过进液仓且两端与阳极管套相连接，阳极导电螺栓穿过所述施镀仓的一端与施镀仓内的连杆连接固定，阳极导电螺栓通过阳极导线与脉冲电源的正极相连；阴极导电探针的一端与施镀仓的一端连接固定，阴极导电探针的另一端搭接于管道内壁，所述阴极导电探针的一端通过阴极导线与脉冲电源的负极相连；

管道的两端安装于支架或工作台上，管道的两端外侧分别设置伺服电机、卷缆器所组成的牵引系统，在管道两端的管口处安装管口导缆防磨滚轮套，每个伺服电机的输出端连接一个卷缆器，卷缆器上的缆绳经管口导缆防磨滚轮套与管道内的施镀仓端部连接，组成可实现线缆防磨及导向的牵引式往复施镀作业系统。

所述的脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置，使用时，由伺服电机和卷缆器，通过缆绳牵引施镀仓在管道内往复运动，施镀仓外部吸液棉毛毡紧贴管道内壁施镀，电解液储存供给循环过滤系统向施镀仓供给电解液，脉冲电源通过阳极导电螺栓及阴极导电探针在管道内壁与施镀仓接触部位产生电场，使电解液在电场作用下发生化学反应，电解液中阳离子沉积在管道内壁表面形成镀层。

所述的脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置，由储液槽储存电解液，通过供液泵向进液仓进液口供给电解液，通过回液泵接通回液仓回液口抽取电解液，并通过过滤器回流至储液槽中，组成电解液储存供给循环过滤系统。

所述的脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置，进液仓进液口、回液仓回液口、阳极导电螺栓以及阴极导电探针放置在施镀仓同一端，电解液储存供给循环过滤系统、脉冲电源布置在管道外的同一侧方向，阴极导电探针安装在施镀仓的一端外侧，使其与管道内壁接触。

一种脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层的制备方法，首先在施镀仓上安装调整阳极管套，安装吸液棉毛毡并调整其厚度，使其厚度达到与金属管道内壁紧密贴合且可相对运动的状态；然后连接施镀仓上的阴阳极导线、供液管及回液管，整理管束，将缆绳一端穿过管道，施镀仓两端连接缆绳，将施镀仓牵引送入金属管道，同时通过恒温水浴加温电解液，并辅以磁力搅拌使电解液均匀；接着通过供液泵向施镀仓内泵入电解液，回液泵抽取在施镀仓回液仓内部形成负压，使得电解液回流进入储液槽，形成电解液循环系统；电解液循环稳定后，开启伺服电机，牵引施镀仓在金属管道内壁进行往复运动；打开脉冲电源，电解液在脉冲电场下迅速在金属管道内壁沉积镀层，通过施镀仓的往复运动作业，在管道内壁连续不断的形成沉积层。

所述的脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层的制备方法，包含以下步骤：

S1、对管道内壁进行电净及活化处理，分批次通入电净液及活化液进行电净及活化预处理；

S2、根据管道内径尺寸，在施镀仓外包覆吸液棉毛毡，使其外径可紧贴管道的内壁且又不影响其在管道内移动，将施镀仓置入管道内，由牵引系统牵引施镀仓进行往复运动；

S3、将调配的电解液放置于储液槽中，同时将储液槽放置在恒温水浴锅内，将恒温水浴锅温度设定在40℃~80℃范围内，使得储液槽内的电解液温度始终维持在40℃~80℃施镀所需温度区间，开启供液泵向施镀仓内泵入电解液，电解液压入施镀仓，排挤出施镀仓内空气，同时开启回液泵在回液仓回液口内部形成负压，抽取施镀仓内多余空气以及回流的电解液到储液槽内，多余空气经储液槽排出，待电解液循环稳定后，用流量计测得流量并通过节流阀控制电解液流速；

S4、打开并调节伺服电机及卷缆器的牵引速度，选择施镀仓与待镀管道内表面相对运动速度为8m/min~16m/min，牵引施镀仓均匀运动；

S5、打开脉冲电源并选择：脉冲频率为800 Hz~1500 Hz，脉冲占空比为10%~50%，脉冲电流为400 mA~1000 mA；

S6、通过脉冲电源提供电场，电解液通过吸液棉毛毡与管道内壁接触并形成瞬间放电结晶，同时施镀仓由牵引系统中的伺服电机按设定速度牵引进行往复运动，从而实现连续不断的施镀，形成沉积层；施镀同时，在开放式的储液槽内通过pH测量仪以及镀液浓度检测装置测得电解液浓度及pH值，及时向储液槽内补充新的电解液，调节电解液浓度及pH值；待施镀完成后依次关闭脉冲电源、伺服电机、供液泵及回液泵；

S7、剖开管道对镀层进行表面形貌检测及性能表征，优化各工艺参数：牵引速度、脉冲频率、脉冲占空比、脉冲电流、电解液温度、电解液pH值，依次按照步骤S1、S2、S3、S4、S5、S6进行实验操作，直至制备出厚度均匀、结构致密、膜基牢固结合的管道内壁镀层。

本发明的设计思想是：

针对电化学沉积技术在金属管道内壁镀覆沉积时所出现的局限性，本发明在电刷镀技术特点以及电化学沉积技术原理的基础上，设计开发一种脉冲辅助电化学装置来制备金属管道内壁镀层，在一定程度上解决管道内壁难以镀覆的问题。结合电刷镀技术特点，设计一种新型的金属管道内壁施镀仓，使其可以深入管道内壁，施镀仓两端安装有密封胶圈，外部包裹阳极管套，施镀仓一侧设计安装有阴极导电探针，使其与管道内壁接触。阳极管套外部包裹吸液棉毛毡且与金属管道内壁贴合；施镀仓内部开孔，电解液可通过供液泵由施镀仓内部孔向吸液棉毛毡供给电解液，由脉冲电源供电使得吸液棉毛毡与金属管道内壁接触部位发生瞬间放电结晶，由牵引装置牵引施镀仓在金属管道内往复运动，最终在金属管道内壁可连续不断的得到的沉积层。

为了使金属管道内壁沉积层组织更加致密均匀、表面形貌以及镀层结合力有所提升，在电化学装置电沉积过程中加入了脉冲电流。脉冲电流可使得沉积层组织更加致密均匀、表面形貌以及镀层结合力有所提升。当处在脉冲宽度时电解液快速沉积在金属管道内壁，当脉冲间隔时基体接触表面失去电场，因电场的消失既有利于离子的扩散，可以减小扩散层厚度，又因为失去电场时不发生沉积，在施镀仓往复运动的摩擦作用下对金属管道内壁沉积层起到一定的打磨修整的效果，使得沉积层组织变得致密均匀，同时也可以清除析氢效应产生的氢气泡及杂质颗粒，引入脉冲电流可得到组织更加致密均匀、表面形貌以及镀层结合力较好的沉积层，提升沉积层各方面性能。

本发明的优点及有益效果在于：

（1）本发明脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置，将施镀作业装置放到金属管道内进行施镀，摆脱传统电沉积镀槽的限制，使金属管道内壁受镀均匀，另一方面减少设备面积。该技术及装置灵活可调，操作方便，即可保证金属管道内壁沉积层稳定沉积，同时又可提高沉积层表面形貌，使其厚度均匀，从而得到性能良好的沉积层。

（2）本发明阴阳极设置在施镀仓上，通过阴极探针直接在金属管道内部与待镀表面接触，减少阴阳极比例差距，防止出现阳极钝化的现象，为稳定施镀提供条件，提高沉积层质量。

（3）本发明电解液通过供液泵、回液泵、过滤器以及储液槽形成电解液过滤循环系统，可实时向开放式的储液槽内补充电解液，调节电解液浓度及pH值，及时为施镀仓内供给新的电解液，即可减少电解液的浪费，又可提高施镀作业的效率。

（4）本发明伺服电机和卷缆器组成的牵引系统，通过管口导缆防磨滚轮套对缆线进行导向，牵引施镀仓，使其可以在长管道内稳定运行，并且操作简单，维护方便。

（5）本发明脉冲辅助下的电化学沉积技术以及新型电化学装置，在脉冲宽度时，电化学装置可以在基体上进行快速沉积，在脉冲间隔时，施镀仓往复运动的摩擦作用下对金属管道内壁沉积层起到一定的打磨修整的效果，同时也可以清除析氢效应产生的氢气泡及杂质颗粒。通过这种方法可以得到组织更加致密均匀、表面形貌以及结合力较好的沉积层，从而提升沉积层各方面性能。

附图说明

图1为本发明所述的脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置的剖面示意图。

图2-图3为脉冲辅助电化学装置中施镀仓在金属管道内的三维剖面示意图。其中，图2为主视图，图3为俯视图。

图4-图6为实施例1中金属管道内壁镀层的金相组织图。其中，图4为施镀前管道内壁基体金相组织图，图5为施镀后管道内壁镀层的金相组织图，图6为镀层截面图。

附图标记如下：

图中：1.伺服电机；2.卷缆器；3.过滤器；4.供液泵；5.回液泵；6.回液仓回液口；7.进液仓进液口；8.储液槽；9.脉冲电源；10.管口导缆防磨滚轮套；11.管道；12.密封胶圈；13.施镀仓；14.阳极管套；15.吸液棉毛毡；16.施镀仓出液孔；17.阳极导电螺栓；18.阴极导电探针；19.缆绳；20.回液仓；21.进液仓；22.施镀仓回液孔；23.支架；24.连杆；25.供液管；26.回液管。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明所述的脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置及制备方法，首先在施镀仓上安装调整好阳极管套，安装新的吸液棉毛毡并调整其厚度，使其厚度达到与金属管道内壁紧密贴合且可相对运动的状态。然后连接施镀仓上的阴阳极导线、供液管及回液管，整理管束，将缆绳一端穿过管道，施镀仓两端连接缆绳，将施镀仓缓缓牵引送入金属管道，同时通过恒温水浴使电解液温度保持在合适的温度范围内，并辅以磁力搅拌使电解液均匀。通过供液泵向施镀仓内泵入电解液，电解液压入施镀仓，排挤出仓内空气，同时开启回液泵在回液仓回液口内部形成负压，抽取施镀仓内多余空气以及回流的电解液，使得电解液回流进入储液槽，形成电解液循环系统。电解液循环稳定后，开启伺服电机，牵引施镀仓在金属管道内壁进行往复运动。打开脉冲电源，电解液在电场作用下发生反应，镀层迅速在金属管道内壁沉积，通过施镀仓的往复运动作业形成沉积层。

本发明将传统电化学沉积技术原理与电刷镀技术特点相结合所开发一种新型镀覆设备，同时利用脉冲电流进行辅助，从而得到组织更加致密均匀、表面形貌以及结合力较好、性能较优的沉积层。开启伺服电机，牵引施镀仓在管道内进行往复运动。开启电解液循环系统，使施镀仓与基体之间拥有良好的工作液循环环境，通过使用脉冲电源对阴极金属管道内壁基体和阳极管套之间介入脉冲电流。此时，往复摩擦力、电解液循环流动场与脉冲电流所产生的电场同时作用于沉积区域，最终获得结构致密，厚度均匀且结合力好的沉积层。

如图1、图2、图3所示，本发明所述的脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置，主要包括：伺服电机1、卷缆器2、过滤器3、供液泵4、回液泵5、回液仓回液口6、进液仓进液口7、储液槽8、脉冲电源9、管口导缆防磨滚轮套10、管道11、密封胶圈12、施镀仓13、阳极管套14、吸液棉毛毡15、施镀仓出液孔16、阳极导电螺栓17、阴极导电探针18、缆绳19、回液仓20、进液仓21、施镀仓回液孔22、支架23、连杆24、供液管25、回液管26等，具体结构如下：

管道11的两端安装于支架23或工作台上，管道11的两端外侧分别设置伺服电机1、卷缆器2所组成的牵引系统，在管道11两端的管口处安装管口导缆防磨滚轮套10，每个伺服电机1的输出端连接一个卷缆器2，卷缆器2上的缆绳19经管口导缆防磨滚轮套10与管道11内的施镀仓13端部连接，组成可实现线缆防磨及导向的牵引式往复施镀作业系统。

施镀仓13内腔设置回液仓20、进液仓21，施镀仓13的一端开设回液仓回液口6、进液仓进液口7，回液仓回液口6的一端通过管路在进液仓21内部穿过，并与回液仓20相连通，回液仓回液口6的另一端通过回液管26与储液槽8相连通，回液管26上安装过滤器3、回液泵5，进液仓进液口7的一端与进液仓21相连通，进液仓进液口7的另一端通过供液管25与储液槽8相连通，供液管25上安装供液泵4。

施镀仓13的两端为圆盘形结构且与管道11同轴，所述圆盘形结构的侧面安装密封胶圈12，圆盘形结构通过密封胶圈12与管道11内壁之间形成动密封，以防止电解液泄漏至施镀仓外部区域的密封结构件。施镀仓13的侧壁为圆柱形结构且与管道11同轴，所述圆柱形结构两端分别与所述圆盘形结构一体连接，圆盘形结构的外径大于圆柱形结构的外径，使施镀仓13的两端、侧壁之间形成环形槽结构，所述环形槽结构中由内至外依次安装阳极管套14、吸液棉毛毡15，吸液棉毛毡15与管道11相对应且紧密接触；回液仓20的侧壁开设施镀仓回液孔22，施镀仓回液孔22与阳极管套14侧壁的通孔相对应，使回液仓20与吸液棉毛毡15相通；进液仓21的侧壁开设施镀仓出液孔16，施镀仓出液孔16与阳极管套14侧壁的通孔相对应，使进液仓21与吸液棉毛毡15相通。

施镀仓13的一端安装阳极导电螺栓17、阴极导电探针18，其中：进液仓21内靠近回液仓回液口6、进液仓进液口7的一侧沿径向安装连杆24，连杆24径向穿过进液仓21且两端与阳极管套14相连接，阳极导电螺栓17穿过所述施镀仓13的一端与施镀仓13内的连杆24连接固定，阳极导电螺栓17通过阳极导线与脉冲电源9的正极相连；阴极导电探针18的一端与施镀仓13的一端连接固定，阴极导电探针18的另一端搭接于管道11内壁，所述阴极导电探针18的一端通过阴极导线与脉冲电源9的负极相连。

使用时，由伺服电机1和卷缆器2，通过缆绳19牵引施镀仓13在管道11内往复运动，施镀仓13外部吸液棉毛毡15紧贴管道11内壁施镀，电解液储存供给循环过滤系统（储液槽8、过滤器3、供液泵4、回液泵5、供液管25、回液管26）向施镀仓13供给电解液，脉冲电源9通过阳极导电螺栓17及阴极导电探针18在管道11内壁与施镀仓13接触部位产生电场，使电解液在电场的作用下发生化学反应，电解液中阳离子快速沉积在管道11内壁表面形成镀层。通过调整牵引速度、脉冲频率、脉冲占空比、脉冲电流、电解液温度、电解液pH等工艺参数，制备出均匀性好、结构致密、膜基结合力好的管道内壁镀层。

本发明中，回液仓回液口6、进液仓进液口7、阳极导电螺栓17以及阴极导电探针18放置在施镀仓同一端。在施镀时，电解液储存供给循环过滤系统、脉冲电源9布置在管道11外的同一侧方向，以便保证适度过程中电解液的稳定供给及脉冲电源9的稳定运行；将阴极导电探针18设计安装在施镀仓13的一端外侧，使其与管道11内壁接触，这样的设计将阴极、阳极都布置在管道11内的施镀仓13一端，防止通电施镀时阴阳极比例差距过大而出现阳极钝化。

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

如图1、图2、图3所示，本实施例的镀种为镍磷合金，脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镍磷合金镀层的制备方法如下：

1)将管道固定在支架23或工作台上，并对管道内壁预处理（如：碱除油、水洗、电净、活化、水洗）。

2)将施镀仓13安装调整好阳极管套14、密封胶圈12，以及调整吸液棉毛毡15的厚度，使其与金属管道11内壁可以紧密贴合；在施镀仓13的阴极导电探针18及阳极导电螺栓17上分别接通阴阳极导线的一端，阴阳极导线的另一端分别连接脉冲电源9的负极和正极，施镀仓13的进液仓进液口7连接供液管25，施镀仓13的回液仓回液口6连接回液管26，施镀仓13的两端连接缆绳19，通过伺服电机1带动卷缆器2，将组装好的施镀仓13缓缓牵引送入金属管道11内部，牵引施镀仓13运动至需要施镀的部位。

3)制备电沉积电解液，并将电解液放入储液槽8中，同时将储液槽8放置在恒温水浴锅内，将恒温水浴锅温度设定在40℃~80℃范围内，使得储液槽内的电解液温度始终维持在40℃~80℃施镀所需温度区间，并加以搅拌。

4)待储液槽8中电解液稳定后，打开供液泵4向施镀仓13泵入电解液，电解液通过施镀仓出液孔16流向吸液棉毛毡15并将其浸湿，电解液压入施镀仓13，排挤出仓内空气，同时打开回液泵5，回液泵5抽取施镀仓13内多余空气以及回流的电解液，在施镀仓13的回液仓20内部形成负压，使得电解液及多余的空气回流经过滤器3过滤杂质后，回流进入储液槽8内，多余空气经储液槽排出，形成电解液循环系统，同时可以防止电解液过多溢出施镀仓13；调整电解液循环速度至1L/min~5L/min。

5)待施镀仓13中电解液循环稳定后，开启伺服电机1带动卷缆器2，牵引施镀仓13在金属管道11内进行往复运动；调整往复运动速率，使施镀仓13与待镀管道11内表面相对运动速度为8m/min~16m/min。

6)打开脉冲电源9，调节选择工艺参数：脉冲频率为800 Hz~1500 Hz，脉冲占空比为10%~50%，脉冲电流为400 mA~1000 mA；开始施镀，电解液在电场作用下发生反应，镀层迅速在金属管道内壁沉积，通过往复运动作业形成沉积层。

7)期间通过调控伺服电机1的牵引速率，来控制施镀仓13与金属管道11内壁基体的相对运动，以及对各个工艺参数之间的调整，并对各个工艺参数（牵引速度、脉冲频率、脉冲占空比、脉冲电流、电解液温度、电解液pH）进行优化调整，制备出结构致密、厚度均匀且结合力好的沉积层。施镀同时，在开放式的储液槽8内可通过pH测量仪以及镀液浓度检测装置测得电解液浓度及pH值，及时向储液槽8内补充新的电解液，调节电解液浓度及pH值。

8)待施镀作业结束后，首先关闭脉冲电源9，关闭伺服电机1停止牵引作业，关闭供液泵4，待电解液排空后关闭回液泵5，最后将施镀仓13牵引取出。

如图4-图6所示，由本实施例中金属管道内壁镀层的金相组织可以看出，采用脉冲辅助下的电化学沉积技术以及新的装置来在金属管道内壁制备结构致密，厚度均匀及膜基结合力好的沉积层。在一定程度上解决了金属管道内壁难以电沉积防护的问题，通过设计一种新型的电化学装置，结合电刷镀技术原理，创新的将施镀装置放入金属管道内部进行施镀作业，避免了阴阳极极差阳极钝化的现象。通过牵引装置，电解液循环装置，以及加入脉冲电流的作用下，使电解液沉积过程中的沉积层在脉冲间隔时得到打磨和抛光，最终使得沉积层组织更加致密均匀、表面形貌以及结合力较好的沉积层，提升沉积层各方面性能。

实施例结果表明，本发明脉冲辅助电化学装置及方法来制备金属管道内壁沉积层，并提供了装置方案，改善管道内壁难以电化学沉积镀覆的问题，为管道内电化学沉积镀覆提供新的工艺和方向。将安装有阳极管套的施镀仓与阴极探针置于金属管道内进行施镀，防止阴阳极比例差距过大导致阳极钝化。通过对工艺参数调控，以及脉冲辅助镀覆使沉积层组织致密均匀、改善表面形貌以及提高镀层结合力。

所述实施例仅为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员做出的任何在不脱离本发明原理的前提下的相关改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置，其特征在于，施镀仓内腔设置回液仓、进液仓，施镀仓的一端开设回液仓回液口、进液仓进液口，回液仓回液口的一端通过管路在进液仓内部穿过，并与回液仓相连通，回液仓回液口的另一端通过回液管与储液槽相连通，回液管上安装过滤器、回液泵；进液仓进液口的一端与进液仓相连通，进液仓进液口的另一端通过供液管与储液槽相连通，供液管上安装供液泵；

施镀仓的两端为圆盘形结构且与管道同轴，所述圆盘形结构的侧面安装密封胶圈，圆盘形结构通过密封胶圈与管道内壁之间形成动密封；施镀仓的侧壁为圆柱形结构且与管道同轴，所述圆柱形结构两端分别与所述圆盘形结构一体连接，圆盘形结构的外径大于圆柱形结构的外径，使施镀仓的两端、侧壁之间形成环形槽结构，所述环形槽结构中由内至外依次安装阳极管套、吸液棉毛毡，吸液棉毛毡与管道相对应且紧密接触；回液仓的侧壁开设施镀仓回液孔，施镀仓回液孔与阳极管套侧壁的通孔相对应，使回液仓与吸液棉毛毡相通；进液仓的侧壁开设施镀仓出液孔，施镀仓出液孔与阳极管套侧壁的通孔相对应，使进液仓与吸液棉毛毡相通；

施镀仓的一端安装阳极导电螺栓、阴极导电探针，其中：进液仓内靠近回液仓回液口、进液仓进液口的一侧沿径向安装连杆，连杆径向穿过进液仓且两端与阳极管套相连接，阳极导电螺栓穿过所述施镀仓的一端与施镀仓内的连杆连接固定，阳极导电螺栓通过阳极导线与脉冲电源的正极相连；阴极导电探针的一端与施镀仓的一端连接固定，阴极导电探针的另一端搭接于管道内壁，所述阴极导电探针的一端通过阴极导线与脉冲电源的负极相连；

管道的两端安装于支架或工作台上，管道的两端外侧分别设置伺服电机、卷缆器所组成的牵引系统，在管道两端的管口处安装管口导缆防磨滚轮套，每个伺服电机的输出端连接一个卷缆器，卷缆器上的缆绳经管口导缆防磨滚轮套与管道内的施镀仓端部连接，组成可实现线缆防磨及导向的牵引式往复施镀作业系统。

2.根据权利要求1所述的脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置，其特征在于，使用时，由伺服电机和卷缆器，通过缆绳牵引施镀仓在管道内往复运动，施镀仓外部吸液棉毛毡紧贴管道内壁施镀，电解液储存供给循环过滤系统向施镀仓供给电解液，脉冲电源通过阳极导电螺栓及阴极导电探针在管道内壁与施镀仓接触部位产生电场，使电解液在电场作用下发生化学反应，电解液中阳离子沉积在管道内壁表面形成镀层。

3.根据权利要求1所述的脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置，其特征在于，由储液槽储存电解液，通过供液泵向进液仓进液口供给电解液，通过回液泵接通回液仓回液口抽取电解液，并通过过滤器回流至储液槽中，组成电解液储存供给循环过滤系统。

4.根据权利要求3所述的脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层装置，其特征在于，进液仓进液口、回液仓回液口、阳极导电螺栓以及阴极导电探针放置在施镀仓同一端，电解液储存供给循环过滤系统、脉冲电源布置在管道外的同一侧方向，阴极导电探针安装在施镀仓的一端外侧，使其与管道内壁接触。

5.一种使用权利要求1至4之一所述装置的脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层的制备方法，其特征在于，首先在施镀仓上安装调整阳极管套，安装吸液棉毛毡并调整其厚度，使其厚度达到与金属管道内壁紧密贴合且可相对运动的状态；然后连接施镀仓上的阴阳极导线、供液管及回液管，整理管束，将缆绳一端穿过管道，施镀仓两端连接缆绳，将施镀仓牵引送入金属管道，同时通过恒温水浴加温电解液，并辅以磁力搅拌使电解液均匀；接着通过供液泵向施镀仓内泵入电解液，回液泵抽取在施镀仓回液仓内部形成负压，使得电解液回流进入储液槽，形成电解液循环系统；电解液循环稳定后，开启伺服电机，牵引施镀仓在金属管道内壁进行往复运动；打开脉冲电源，电解液在电场作用下迅速在金属管道内壁沉积镀层，通过施镀仓的往复运动作业，在管道内壁连续不断的形成沉积层。

6.根据权利要求5所述的脉冲辅助电化学沉积金属管道内壁镀层的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、对管道内壁进行电净及活化处理，分批次通入电净液及活化液进行电净及活化预处理；

S2、根据管道内径尺寸，在施镀仓外包覆吸液棉毛毡，使其外径可紧贴管道的内壁且又不影响其在管道内移动，将施镀仓置入管道内，由牵引系统牵引施镀仓进行往复运动；

S3、将调配的电解液放置于储液槽中，同时将储液槽放置在恒温水浴锅内，将恒温水浴锅温度设定在40℃~80℃范围内，使得储液槽内的电解液温度始终维持在40℃~80℃施镀所需温度区间，开启供液泵向施镀仓内泵入电解液，电解液压入施镀仓，排挤出施镀仓内空气，同时开启回液泵在回液仓回液口内部形成负压，抽取施镀仓内多余空气以及回流的电解液到储液槽内，多余空气经储液槽排出，待电解液循环稳定后，用流量计测得流量并通过节流阀控制电解液流速；

S4、打开并调节伺服电机及卷缆器的牵引速度，选择施镀仓与待镀管道内表面相对运动速度为8m/min~16m/min，牵引施镀仓均匀运动；

S5、打开脉冲电源并选择：脉冲频率为800 Hz~1500 Hz，脉冲占空比为10%~50%，脉冲电流为400 mA~1000 mA；

S6、通过脉冲电源提供电场，电解液通过吸液棉毛毡与管道内壁接触并形成瞬间放电结晶，同时施镀仓由牵引系统中的伺服电机按设定速度牵引进行往复运动，从而实现连续不断的施镀，形成沉积层；施镀同时，在开放式的储液槽内通过pH测量仪以及镀液浓度检测装置测得电解液浓度及pH值，及时向储液槽内补充新的电解液，调节电解液浓度及pH值；待施镀完成后依次关闭脉冲电源、伺服电机、供液泵及回液泵；

S7、剖开管道对镀层进行表面形貌检测及性能表征，优化各工艺参数：牵引速度、脉冲频率、脉冲占空比、脉冲电流、电解液温度、电解液pH值，依次按照步骤S1、S2、S3、S4、S5、S6进行实验操作，直至制备出厚度均匀、结构致密、膜基牢固结合的管道内壁镀层。

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