CN114525563A - 一种制备管/板材表面致密的α-Al2O3涂层的方法 - Google Patents
一种制备管/板材表面致密的α-Al2O3涂层的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114525563A CN114525563A CN202210192452.9A CN202210192452A CN114525563A CN 114525563 A CN114525563 A CN 114525563A CN 202210192452 A CN202210192452 A CN 202210192452A CN 114525563 A CN114525563 A CN 114525563A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coating
- stainless steel
- pipe
- steel pipe
- alpha
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 79
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 70
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims abstract description 81
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 81
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 claims abstract description 60
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 53
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 53
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 35
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000005269 aluminizing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 11
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 10
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 10
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims description 10
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims description 10
- 239000002023 wood Substances 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 claims description 3
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 2
- 238000010583 slow cooling Methods 0.000 claims description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 13
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 11
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 9
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 abstract description 4
- 238000005336 cracking Methods 0.000 abstract description 3
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 abstract description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 12
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 6
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018084 Al-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018192 Al—Fe Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000009395 breeding Methods 0.000 description 1
- 230000001488 breeding effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000013401 experimental design Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 150000004677 hydrates Chemical class 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000003904 radioactive pollution Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910006415 θ-Al2O3 Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
- C25D11/024—Anodisation under pulsed or modulated current or potential
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/10—Oxidising
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/80—After-treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
- C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
- C25D11/18—After-treatment, e.g. pore-sealing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D7/00—Electroplating characterised by the article coated
- C25D7/04—Tubes; Rings; Hollow bodies
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
一种制备管/板材表面致密的α‑Al2O3涂层的方法，属于涂层制备领域。本发明利用“基体快冷，镀层随冷”的设计思路制备管/板材表面致密α‑Al2O3涂层。首先将不锈钢管内壁进行镀铝，然后对镀铝后的管材进行高温氧化处理，在氧化结束前，将与管材内径相匹配的耐火材料塞入管材两端，然后结束高温氧化并立即对钢管进行快冷，最后将快冷后不锈钢管进行干燥处理。本发明通过“基体快冷，镀层随冷”的设计，克服了涂层在高温下产生热应力而导致的涂层破裂和脱落等问题，且设备简单、制备流程短、生产效率高，是一种高通量的管材内壁涂层制备工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种涂层的制备领域，尤其涉及一种利用“基体快冷，镀层随冷”的设计思路制备管/板材表面致密α-Al2O3涂层的方法。
技术背景
核能发电是解决能源问题和实现“碳中和”的重要途经。然而由于热核反应的燃料“氚”既有高的扩散性和渗透能力，导致结构材料发生脆化以及放射性污染等问题。因此阻氚材料与阻氚结构的研究受到学者的广泛关注。近些年来，在钢结构材料表面制备阻氚涂层是减少氢及其同位素渗透的最有效方法之一。其中，α-Al2O3由于具有高的阻氢因子、化学稳定性以及优异的力学性能等受到广泛的关注。然而，采用传统的热氧化方式，α-Al2O3相的形核和长大需要长时间的高温(通常大于1000℃)处理，这导致基体晶粒的长大以及有害相的产生，严重损害基体材料的综合力学性能。同时由于基体和α-Al2O3涂层之间热膨胀系数存在着巨大的差异性，在冷却过程中，不锈钢管材内壁生成的α-Al2O3将受到巨大的压应力，导致氧化膜的脱落，严重影响涂层质量。因此发明一种在不损伤基体性能的情况下制备致密α-Al2O3涂层工艺意义重大。
专利CN106048519B公开申请了一种聚变堆氚增殖包层用Fe-Al/Al2O3阻氚涂层及其制备方法，通过对磁控溅射的铝涂层进行650-900℃的真空退火处理，获得一层由α-Al2O3和θ-Al2O3组成的Al2O3薄膜。此工艺不仅流程长、设备复杂，而且不能获得纯粹的α-Al2O3薄膜，阻氢能力有限。专利CN101280416B公开申请了一种在钢/铝复合管材表面制备α-Al2O3涂层的等离子氧化装置。通过多阴极氧化技术在600℃下制备了致密的α-Al2O3涂层。但其设备和实验条件要求较高，且生产效率较低。
发明内容
本发明提供一种利用“基体快冷，镀层随冷”的设计思路制备管/板材表面致密α-Al2O3涂层的方法，该方法可以有效解决传统方式制备管材内壁α-Al2O3涂层出现的问题：基体材料性能的恶化以及镀层的破裂、脱落；同时，简便的水冷处理，大幅度提升了生产效率、降低了处理成本。
由于本发明适用于多种高温氧化方式，在技术方案中主要描述了电脉冲氧化的具体实施步骤，其余氧化方式同样适用。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种制备管/板材表面致密α-Al2O3涂层的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)对不锈钢管内壁进行镀铝，将镀铝后的管材进行高温氧化处理；
(2)高温氧化结束前，用耐火材料将管材两端封堵：制作两个与不锈钢管材内径匹配圆柱形耐火材料；利用胶水将木棒与圆柱形耐火材料相连接；在氧化结束前把圆柱形耐火材料塞入不锈钢管中，使两者紧密接触；
(3)结束氧化的瞬间，对不锈钢管外壁进行快速冷却处理，将不锈钢管放入预先准备好的水槽中水淬处理，使其充分降温；
(4)将水冷后样品取出，利用钳子取出两端封堵的耐火材料，通过鼓风干燥装置对其进行干燥处理，即可在管材内壁表面得到一层表面质量良好的α-Al2O3涂层。
进一步地，不锈钢管的镀铝的方式包括但又不局限于化学气相沉积、物理气相沉积、电化学沉积和热浸铝化。
进一步地，所述高温氧化处理包括但又不局限于传统热处理、施加外场的加热手段，包括电脉冲、磁场、微波各种热处理方法。
进一步地，所述电脉冲氧化处理方法为：采用直流脉冲电源，可提供的电流为1～5000A，电压为0.1～50V，频率为0.1～31kHz，处理时间为5-120min；脉冲氧化前根据脉冲样品的长度、内径和外径尺寸设定电流、电压、频率大小和脉冲时间。
进一步地，所述传统热处理氧化的处理温度为1000-1200℃，处理时间为180-720min。
进一步地，圆柱形耐火材料是由Al2O3制备，直径与管材内壁直径相匹配。
进一步地，所述冷却方式包括水冷、油冷、风冷、空冷及缓冷，具体冷却方式根据基体和涂层的热膨胀系数差异，包括基体/涂层材料、厚度、尺寸进行设计。
进一步地，水淬后的样品应立即进行干燥处理，处理时间大于5min，防止涂层表面水合物的形成。
如上所述利用“基体快冷，镀层随冷”的设计思路在管/板材表面制备致密α-Al2O3涂层的方法，具体包括如下步骤：
S1：将不锈钢管两端分别固定在电脉冲正负极位置：将不锈钢管与其外径匹配的紫铜开口鼻固定，并通过A字夹将紫铜开口鼻与脉冲电极相连接。尤其要保证开口鼻与不锈钢管接触紧密，实现脉冲过程中温度的均匀分布。对不锈钢管内壁进行镀铝，将镀铝后的管材进行高温氧化处理；
S2：将不锈钢管在900-1200℃进行5-720min的氧化处理，氧化方式采用电脉冲方式。电脉冲氧化处理参数分别为：电流密度1A/mm2-100A/mm2，频率0.1～31kHz，脉宽1μs-100ms。
S3：在电脉冲结束前，用耐火材料将管材两端封堵：制作两个圆柱型耐火材料，直径为18mm(与不锈钢管材内径匹配)、长度为100mm；利用胶水将木棒与圆柱形耐火材料相连接；在电脉冲结束前把圆柱形耐火材料塞入不锈钢管中，使两者紧密接触。
S4：将电脉冲结束后的样品立刻进行水冷处理：在关闭电脉冲的瞬间，去掉不锈钢管两侧的A字夹，使不锈钢管掉落进预先准备好的水槽中使其充分降温。
将氧化结束后的样品立刻进行水冷处理；
S5：将水淬后的样品取出，利用钳子取出两端封堵的耐火材料，利用鼓风干燥装置对其进行干燥处理，即可在管材内壁表面得到一层表面质量良好的α-Al2O3涂层。
本发明通过利用“基体快冷，镀层随冷”的设计思路，成功解决了因高温冷却过程中基体与涂层材料的热膨胀系数差距较大而导致制备的涂层氧化层发生破碎、脱落的难题。本设计不仅流程短、设备简单；而且应用性广，不仅仅适用于不锈钢管表面α-Al2O3薄膜的制备，本设计对于解决由于热膨胀系数差异而导致降温过程中出现的各种问题都具有实用价值。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.通过“基体水冷，镀层随冷”的实验设计，成功解决了由于基体和镀层材料之间热膨胀系数的巨大差异而导致涂层的破裂、脱落，得到了表面质量良好的α-Al2O3涂层。巧妙的设计使得基体材料与涂层在冷却过程中热应力大幅降低。
2.这种管材涂层制备工艺具有广泛的应用范围。不仅仅适用于不锈钢管材α-Al2O3涂层的制备，也适用于其他由于热膨胀系数巨大差异的两种材料，在温度变化过程由于热应力的存在而出现放入结合不紧密等问题。
3.本设计流程短、可操作性强，易于实现工业应用；同时，这种处理方法不需要增添昂贵的设备，大大降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明中所采用的电脉冲氧化+水冷设备示意图：不锈钢浸铝管1，紫铜开口鼻2，脉冲电极3，A字夹4，水槽5，圆柱形耐火材料6；
图2是经过电脉冲氧化和水淬后获得样品的宏观表面和扫描电镜图像；
图3为电脉冲氧化和水淬后获得样品的XRD分析；
具体实施方式
为了进一步说明本发明的技术特点，下面结合附图对本发明做进一步的说明。应当指出的是，对本领域的研究人员或者技术人员来说，在不脱离本发明构想的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
步骤1：对不锈钢管内壁进行镀铝，将镀铝后的管材进行高温氧化处理；
步骤2：将不锈钢管在900-1200℃进行5-720min的氧化处理；
步骤3：在氧化结束前，用耐火材料将管材两端封堵；
步骤4：将氧化结束后的样品立刻进行水冷处理；
步骤5：去掉管材两端用于封堵的耐火材料，并对样品进行干燥处理；
进一步地，将不锈钢管两端分别固定在电脉冲正负极位置：如图1所示，将不锈钢管与其外径匹配的紫铜开口鼻固定，并通过A字夹将紫铜开口鼻与脉冲电极相连接。尤其要保证开口鼻与不锈钢管接触紧密，实现脉冲过程中温度的均匀分布。
进一步地，将不锈钢管在900-1200℃进行5-360min的电脉冲氧化处理：通过调节电脉冲参数对不同长度的管材进行氧化处理，具体参数为脉冲氧化(1)脉冲氧化，外径22mm，内径18mm，长度160mm，脉冲参数2.4V、1kA；(2)脉冲氧化，外径22mm，内径18mm，长度420mm，脉冲参数6.2V、2kA；(3)脉冲氧化，外径22mm，内径18mm，长度890mm，脉冲参数11.5V、5kA；(4)脉冲氧化，长度58mm，宽度100mm，厚度1.7mm，脉冲参数0.1V、0.1kA；(5)传统热处理，外径为20mm，内径为10mm，长度为100mm，热处理参数1200℃，12h；(6)传统热处理，外径为100mm，内径为80mm，长度为100mm，热处理参数1200℃，12h；
进一步地，在脉冲结束前，用耐火材料将管材两端封堵：如图1，制作两个圆柱形耐火材料，直径为18mm(与不锈钢管材内径匹配)、长度为100mm；利用胶水将木棒与圆柱形耐火材料相连接；在脉冲结束前把圆柱形耐火材料塞入不锈钢管中，使两者紧密接触。
进一步地，将电脉冲结束后的样品立刻进行水淬处理：如图一所示，在关闭电脉冲的瞬间，去掉不锈钢管两侧的A字夹，使不锈钢管掉落进预先准备好的水槽中，浸泡20s，使其充分降温。
进一步地，将水淬后的样品取出，利用钳子取出两端封堵的耐火材料，利用鼓风干燥装置对其进行干燥处理，即可在管材内壁表面得到一层表面质量良好的α-Al2O3涂层。
实施例1
本实施例为管材内壁α-Al2O3涂层制备，不锈钢管材镀层的外径为外径22mm，内径18mm，长度为160mm，通过紫铜开口鼻将不锈钢管与脉冲电极相连接；设定脉冲参数为2.4V、1kA，频率为31000Hz，在900℃下进行60min的电脉冲处理。
制作两个圆柱形耐火材料，直径为18mm(与不锈钢管材内径匹配)、长度为100mm。利用胶水将木棒与圆柱形耐火材料相连接；在脉冲结束前把圆柱形耐火材料塞入不锈钢管中，使两者紧密接触。
在关闭电脉冲的瞬间将加热到1100℃的不锈钢管放入预先准备好的水池中，浸泡20s，使其充分降温。
利用钳子取出两端封堵的耐火材料，通过鼓风干燥装置对其进行干燥处理，即可在管材内壁表面得到一层表面质量良好的α-Al2O3涂层。
实施例2
本实施例为管材内壁α-Al2O3涂层制备，不锈钢管材镀层的外径为外径22mm，内径18mm，长度为420mm，通过紫铜开口鼻将不锈钢管与脉冲电极相连接；设定电脉冲参数为6.2V、2kA，频率为31000Hz，在1100℃下进行20min的电脉冲处理。
制作两个圆柱形耐火材料，直径为18mm(与不锈钢管材内径匹配)、长度为100mm。利用胶水将木棒与圆柱形耐火材料相连接；在脉冲结束前把圆柱形耐火材料塞入不锈钢管中，使两者紧密接触。
在关闭电脉冲的瞬间将加热到1100℃的不锈钢管放入预先准备好的水池中，浸泡20s，使其充分降温。
利用钳子取出两端封堵的耐火材料，通过鼓风干燥装置对其进行干燥处理，即可在管材内壁表面得到一层表面质量良好的α-Al2O3涂层。
实施例3
本实施例为管材内壁α-Al2O3涂层制备，不锈钢管材镀层的外径为外径22mm，内径18mm，长度为890mm，通过紫铜开口鼻将不锈钢管与脉冲电极相连接；设定电脉冲参数为6.2V、5kA，频率为31000Hz，在1200℃下进行10min的电脉冲处理。
制作两个圆柱形耐火材料，直径为18mm(与不锈钢管材内径匹配)、长度为100mm。利用胶水将木棒与圆柱形耐火材料相连接；在脉冲结束前把圆柱形耐火材料塞入不锈钢管中，使两者紧密接触。
在关闭电脉冲的瞬间将不锈钢管放入预先准备好的水池中，浸泡20s，使其充分降温。利用钳子取出两端封堵的耐火材料，通过鼓风干燥装置对其进行干燥处理，即可在管材内壁表面得到一层表面质量良好的α-Al2O3涂层。
实施例4
本实施例为板材内壁α-Al2O3涂层制备，板材长度58mm，宽度100mm，厚度1.7mm，通过A字夹将不锈钢板材与脉冲电极相连接；设定峰值电脉冲参数为0.1V、0.1kA、100Hz；脉冲时间为360min。
在关闭电脉冲的瞬间将加热将板材放入预先准备好的水池中，浸泡20s，使其充分降温。通过鼓风干燥装置对其进行干燥处理，即可在管材内壁表面得到一层表面质量良好的α-Al2O3涂层。
实施例5
本实施例为管材内壁α-Al2O3涂层制备，不锈钢管材镀层的外径为20mm，内径为10mm，长度为100mm，将不锈钢管材放入马弗炉中，在1200℃下进行12h的高温氧化处理。
制作两个圆柱形耐火材料，直径为10mm(与不锈钢管材内径匹配)、长度为100mm。利用胶水将木棒与圆柱形耐火材料相连接；在氧化结束前把圆柱形耐火材料塞入不锈钢管中，使两者紧密接触。
在氧化完成的不锈钢管放入预先准备好的水池中，浸泡20s，使其充分降温。利用钳子取出两端封堵的耐火材料，通过鼓风干燥装置对其进行干燥处理，即可在管材内壁表面得到一层表面质量良好的α-Al2O3涂层。
实施例6
本实施例为管材内壁α-Al2O3涂层制备，不锈钢管材镀层的外径为100mm，内径为80mm，长度为100mm，将不锈钢管材放入马弗炉中，在1200℃下进行12h的高温氧化处理。
制作两个圆柱形耐火材料，直径为80mm(与不锈钢管材内径匹配)、长度为100mm。利用胶水将木棒与圆柱形耐火材料相连接；在氧化结束前把圆柱形耐火材料塞入不锈钢管中，使两者紧密接触。
在氧化完成的不锈钢管放入预先准备好的淬火油中，浸泡30s，使其充分降温。利用钳子取出两端封堵的耐火材料，通过鼓风干燥装置对其进行干燥处理，即可在管材内壁表面得到一层表面质量良好的α-Al2O3涂层。
经过脉冲氧化和水淬后的不锈钢管材如图2所示，下图为涂层内壁的宏观照片，可以看出宏观表面质量良好，无明显的涂层脱落。对应的选取扫描电镜图像可以看出涂层的微观组织均匀，且无明显的缺陷。
脉冲氧化和水淬后的XRD分析如图3所示，可以看出除了基体的Al-Fe相外，还存在大量的α-Al2O3相。结合图2的表面结构表征可以得出结论：经过脉冲处理后，成功得到了表面质量均匀的α-Al2O3涂层。
综上所述，经过电脉冲和水淬后，成功得到了表面质量优异的α-Al2O3涂层，且并没有恶化基体材料的力学性能。
以上所述，仅为本发明提供的一种新型管材内壁α-Al2O3涂层制备工艺针对某些特定工艺参数下的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构想加以等同替换相近材料、设备或调整相关技术参数，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种制备管/板材表面致密α-Al2O3涂层的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)对不锈钢管内壁进行镀铝，将镀铝后的管材进行高温氧化处理；
(2)高温氧化结束前，用耐火材料将管材两端封堵：制作两个与不锈钢管材内径匹配圆柱形耐火材料；利用胶水将木棒与圆柱形耐火材料相连接；在氧化结束前把圆柱形耐火材料塞入不锈钢管中，使两者紧密接触；
(3)结束氧化的瞬间，对不锈钢管外壁进行快速冷却处理，将不锈钢管放入预先准备好的水槽中水淬处理，使其充分降温；
(4)将水冷后样品取出，利用钳子取出两端封堵的耐火材料，通过鼓风干燥装置对其进行干燥处理，即可在管材内壁表面得到一层表面质量良好的α-Al2O3涂层。
2.根据权利要求1所述的制备管/板材表面致密α-Al2O3涂层的方法，其特征在于，不锈钢管的镀铝的方式包括但又不局限于化学气相沉积、物理气相沉积、电化学沉积和热浸铝化。
3.根据权利要求1所述的制备管/板材表面致密α-Al2O3涂层的方法，其特征在于，所述高温氧化处理包括但又不局限于传统热处理、施加外场的加热手段，包括电脉冲、磁场、微波各种热处理方法。
4.根据权利要求3所述的制备管/板材表面致密α-Al2O3涂层的方法，其特征在于，所述电脉冲氧化处理方法为：采用直流脉冲电源，可提供的电流为1～5000A，电压为0.1～50V，频率为0.1～31kHz，处理时间为5-120min；脉冲氧化前根据脉冲样品的长度、内径和外径尺寸设定电流、电压、频率大小和脉冲时间。
5.根据权利要求3所述的制备管/板材表面致密α-Al2O3涂层的方法，其特征在于，所述传统热处理氧化的处理温度为1000-1200℃，处理时间为180-720min。
6.根据权利要求1所述的制备管/板材表面致密α-Al2O3涂层的方法，其特征在于，圆柱形耐火材料是由Al2O3制备，直径与管材内壁直径相匹配。
7.根据权利要求1所述的一制备管/板材表面致密α-Al2O3涂层的方法，其特征在于，所述冷却方式包括水冷、油冷、风冷、空冷及缓冷，具体冷却方式根据基体和涂层的热膨胀系数差异，包括基体/涂层材料、厚度、尺寸进行设计。
8.根据权利要求1所述的制备管/板材表面致密α-Al2O3涂层的方法，其特征在于，水淬后的样品应立即进行干燥处理，处理时间大于5min，防止涂层表面水合物的形成。
9.根据权利要求1所述的制备管/板材表面致密α-Al2O3涂层的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1：将不锈钢管两端分别固定在电脉冲正负极位置：将不锈钢管与其外径匹配的紫铜开口鼻固定，并通过A字夹将紫铜开口鼻与脉冲电极相连接；尤其要保证开口鼻与不锈钢管接触紧密，实现脉冲过程中温度的均匀分布；对不锈钢管内壁进行镀铝，将镀铝后的管材进行高温氧化处理；
S2：将不锈钢管在900-1200℃进行180-720min的氧化处理，氧化方式采用电脉冲方式；电脉冲氧化处理参数分别为：电流密度1A/mm2-100A/mm2，频率0.1～31kHz，脉宽1μs-100ms；
S3：在电脉冲结束前，用耐火材料将管材两端封堵：制作两个圆柱型耐火材料，直径为18mm，与不锈钢管材内径匹配、长度为100mm；利用胶水将木棒与圆柱形耐火材料相连接；在电脉冲结束前把圆柱形耐火材料塞入不锈钢管中，使两者紧密接触；
S4：将电脉冲结束后的样品立刻进行水冷处理：在关闭电脉冲的瞬间，去掉不锈钢管两侧的A字夹，使不锈钢管掉落进预先准备好的水槽中使其充分降温；
将氧化结束后的样品立刻进行水冷处理；
S5：将水淬后的样品取出，利用钳子取出两端封堵的耐火材料，利用鼓风干燥装置对其进行干燥处理，即可在管材内壁表面得到一层表面质量良好的α-Al2O3涂层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210192452.9A CN114525563B (zh) | 2022-02-28 | 2022-02-28 | 一种制备管/板材表面致密的α-Al2O3涂层的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210192452.9A CN114525563B (zh) | 2022-02-28 | 2022-02-28 | 一种制备管/板材表面致密的α-Al2O3涂层的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114525563A true CN114525563A (zh) | 2022-05-24 |
| CN114525563B CN114525563B (zh) | 2023-11-10 |
Family
ID=81625723
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210192452.9A Active CN114525563B (zh) | 2022-02-28 | 2022-02-28 | 一种制备管/板材表面致密的α-Al2O3涂层的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114525563B (zh) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH065744U (ja) * | 1992-05-18 | 1994-01-25 | 三菱重工業株式会社 | 双ロール式連続鋳造装置 |
| US5310476A (en) * | 1992-04-01 | 1994-05-10 | Moltech Invent S.A. | Application of refractory protective coatings, particularly on the surface of electrolytic cell components |
| JP2003042688A (ja) * | 2001-07-30 | 2003-02-13 | Nkk Corp | 熱交換用被覆鋼管、その製造方法及び熱交換器 |
| WO2003023160A1 (de) * | 2001-09-10 | 2003-03-20 | Bemofensterbau Gmbh | Brandschutzelement, verfahren zu dessen herstellung und brandschutzgesichertes rahmenwerk für ein gebäudeteil, wie für eine gebäudefassade oder dgl. |
| WO2009126875A2 (en) * | 2008-04-10 | 2009-10-15 | C-3 International, Llc | Pig and method for applying prophylactic surface treatments |
| CN102330095A (zh) * | 2011-08-29 | 2012-01-25 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种钢基材料表面的Al2O3涂层制备方法 |
| CN106698892A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-05-24 | 陕西彩虹电子玻璃有限公司 | 一种盖板玻璃铂金通道热电偶装置及其制造方法 |
| CN107617730A (zh) * | 2017-08-31 | 2018-01-23 | 西安工程大学 | 一种耐磨耐蚀复合钢管及其制备方法 |
| CN108160009A (zh) * | 2016-12-07 | 2018-06-15 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种自平衡衬管内外压力的反应器及使用方法 |
| CN109182705A (zh) * | 2018-10-24 | 2019-01-11 | 北京科技大学 | 一种脉冲电流实现室温下快速制备取向薄带电工钢的方法 |
| CN113265609A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-17 | 北京科技大学 | 一种快速制备316l不锈钢铝化物阻氚涂层表面氧化铝的方法 |
| CN113620694A (zh) * | 2021-09-03 | 2021-11-09 | 湖南昕昱科技有限公司 | 一种用于含活泼元素合金熔炼用坩埚及其制备方法 |
-
2022
- 2022-02-28 CN CN202210192452.9A patent/CN114525563B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5310476A (en) * | 1992-04-01 | 1994-05-10 | Moltech Invent S.A. | Application of refractory protective coatings, particularly on the surface of electrolytic cell components |
| JPH065744U (ja) * | 1992-05-18 | 1994-01-25 | 三菱重工業株式会社 | 双ロール式連続鋳造装置 |
| JP2003042688A (ja) * | 2001-07-30 | 2003-02-13 | Nkk Corp | 熱交換用被覆鋼管、その製造方法及び熱交換器 |
| WO2003023160A1 (de) * | 2001-09-10 | 2003-03-20 | Bemofensterbau Gmbh | Brandschutzelement, verfahren zu dessen herstellung und brandschutzgesichertes rahmenwerk für ein gebäudeteil, wie für eine gebäudefassade oder dgl. |
| WO2009126875A2 (en) * | 2008-04-10 | 2009-10-15 | C-3 International, Llc | Pig and method for applying prophylactic surface treatments |
| CN102330095A (zh) * | 2011-08-29 | 2012-01-25 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种钢基材料表面的Al2O3涂层制备方法 |
| CN108160009A (zh) * | 2016-12-07 | 2018-06-15 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种自平衡衬管内外压力的反应器及使用方法 |
| CN106698892A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-05-24 | 陕西彩虹电子玻璃有限公司 | 一种盖板玻璃铂金通道热电偶装置及其制造方法 |
| CN107617730A (zh) * | 2017-08-31 | 2018-01-23 | 西安工程大学 | 一种耐磨耐蚀复合钢管及其制备方法 |
| CN109182705A (zh) * | 2018-10-24 | 2019-01-11 | 北京科技大学 | 一种脉冲电流实现室温下快速制备取向薄带电工钢的方法 |
| CN113265609A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-17 | 北京科技大学 | 一种快速制备316l不锈钢铝化物阻氚涂层表面氧化铝的方法 |
| CN113620694A (zh) * | 2021-09-03 | 2021-11-09 | 湖南昕昱科技有限公司 | 一种用于含活泼元素合金熔炼用坩埚及其制备方法 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| C. ZHU等: "A study of the microstructure and oxidation behavior of alumina/yttria-stabilized zirconia (Al2O3/YSZ) thermal barrier coatings", 《SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY》, vol. 212, pages 214 - 222 * |
| GONG CHEN等: "Heat transfer characteristic of an ultra-thin flat plate heat pipe with surface-functional wicks for cooling electronics", 《INTERNATIONAL COMMUNICATIONS IN HEAT AND MASS TRANSFER》, vol. 100, pages 12 - 19 * |
| 侯玉柏等: "铝粉对自蔓延陶瓷内衬钢管陶瓷层的影响", 《热喷涂技术》, vol. 4, no. 1, pages 41 - 43 * |
| 吴艳萍;王庆富;蒋驰;王勤国;巫泉文;: "1Cr18Ni9Ti不锈钢表面Al_2O_3阻氚涂层磁控溅射-微弧氧化法制备技术研究", 功能材料, no. 09, pages 9187 - 9191 * |
| 戴建伟;易军;王占考;王凯;许振华;何利民;: "单晶高温合金铂改性铝化物涂层的高温氧化行为", 航空材料学报, no. 05, pages 32 - 38 * |
| 许文龙;李润璞;: "水冷壁涂层界面热应力分析", 能源与环保, no. 08, pages 59 - 63 * |
| 郭训忠;陶杰;汪涛;唐巧生;: "复杂形状钛管件内表面氧化铝涂层综合制备新工艺研究", 中国机械工程, no. 20, pages 2498 - 2502 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114525563B (zh) | 2023-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100393909C (zh) | 用电子束物理气相沉积多孔树枝晶陶瓷层的热障涂层方法 | |
| CN114591102A (zh) | 一种C/C复合材料SiB6-Glass抗氧化涂层及其制备方法 | |
| CN103805995A (zh) | 碳/碳复合材料抗氧化用铼/铱涂层表面缺陷的修复方法 | |
| CN114525563B (zh) | 一种制备管/板材表面致密的α-Al2O3涂层的方法 | |
| CN105931932A (zh) | 一种氮化铝绝缘层阴极热丝的制备方法 | |
| CN105777207A (zh) | 碳/碳复合材料Yb2Si2O7晶须增韧Yb2SiO5复合涂层的制备方法 | |
| CN103601529B (zh) | 碳/碳复合材料SiB6抗氧化外涂层的制备方法 | |
| CN110718699A (zh) | 用于燃料电池不锈钢双极板金属氮化物涂层的制备方法 | |
| CN113265609B (zh) | 一种快速制备316l不锈钢铝化物阻氚涂层表面氧化铝的方法 | |
| CN102936146B (zh) | 一种Y2Si2O7 晶须增韧Y2SiO5 复合涂层的制备方法 | |
| CN102936145B (zh) | 一种Y2SiO5 晶须增韧莫来石复合涂层的制备方法 | |
| CN110373700B (zh) | 一种Ti2AlC耐腐蚀涂层的制备方法 | |
| CN114134456A (zh) | 锆合金包壳Cr涂层磁控溅射制备方法 | |
| CN102942387B (zh) | 一种Y2Si2O7 晶须增韧Y2Si2O7 复合涂层的制备方法 | |
| CN106925858A (zh) | 一种高频气体保护钎焊炉及其工作方法 | |
| CN102758181A (zh) | 一种ods高温合金管的制备方法 | |
| CN112095131A (zh) | 一种用于制备收口筒形内腔陶瓷层的工装设备及方法 | |
| CN115747775B (zh) | 一种高质量厚阻氚涂层的制备方法 | |
| CN102942378B (zh) | 一种Y2Si2O7 晶须增韧Y4Si3O12 复合涂层的制备方法 | |
| CN114068946B (zh) | 钠硫电池硫极集流体max相多层复合防护涂层及其制备方法 | |
| CN113584482A (zh) | 一种钒合金表面绝缘/阻氚渗透复合涂层的制备方法 | |
| CN116288207B (zh) | 一种热障涂层及其制备方法和在高温合金中的应用 | |
| CN112952131B (zh) | 一种具有纳米晶AlN改性层的Fe-Mn基合金双极板及其制备方法 | |
| CN112952129B (zh) | 一种具有纳米TaNbN改性层的金属双极板及其制备方法 | |
| CN102924107B (zh) | 一种Y2SiO5 晶须增韧Y4Si3O12 复合涂层的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |