无裂纹Fe-Cr合金镀层的电沉积制备及抗高温氧化性能研究

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低合金钢因其较好的综合力学性能以及低廉的价格而广泛用作火力发电设施、石油化工厂的热端结构材料。但在常见的<850℃服役环境下,低合金钢中的Cr含量远低于形成保护性Cr2O3氧化膜所需的临界含量(接近20 mass%),为提高抗高温氧化性能,它们的表面常常施加高温防护涂层。高Cr(>20 mass%)的Fe-Cr合金可以充当理想的防护涂层,原因在于它一则在上述条件下可以热生长Cr2O3氧化膜,二则它因富Fe而可大幅度降低与低合金钢基体的互扩散。迄今为止,用简单的电沉积技术制备抗高温氧化性能的Fe-Cr合金涂层还鲜有报道,导致此产生的关键在于Fe与Cr共电沉积难以获得高Cr含量、足够厚度且无裂纹的Fe-Cr合金镀层。针对这一问题,本论文采用环境友好型的Cr(Ⅲ)电镀液来电沉积制备Fe-Cr合金镀层,基于合金共沉积的电位调控理论知识,通过电镀液的成分改性与电沉积参数优化以及大量的赫尔槽合金电沉积和阴极极化实验,突破了无裂纹Fe-Cr合金的电沉积技术瓶颈,成功获得了厚度与Cr成分可控、无微裂纹且具有优异抗高温氧化性的Fe-Cr合金镀层。论文主要结论如下:(1)探索了一种具有特殊添加剂的尿素(Urea)-柠檬酸钠(Sodium citrate)-甲酸钠(Sodium formate)复合络合剂镀液,该镀液中Fe和Cr的析出电位接近。电镀液由Cr Cl30.6 mol·L-1,Fe Cl20.05 mol·L-1,尿素2 mol·L-1,柠檬酸钠0.3 mol·L-1,甲酸钠0.2 mol·L-1,NH4Cl 1 mol·L-1,H3BO30.6 mol·L-1,Na F10 g·L-1,Na Br10 g·L-1,抗坏血酸5 g·L-1,十二烷基硫酸钠0.1 g·L-1组成。(2)调控电沉积阴极电流密度可获得Cr含量可控的Fe-Cr合金。当Cr含量增加至35 mass%,Fe-Cr合金由晶态转变为非晶态结构。(3)Cr含量为30 mass%的Fe-Cr合金镀层显著提高T91钢在850℃空气中的抗氧化性能。沉积厚度为18μm的Fe-30Cr合金镀层使得氧化时T91钢热生长非保护性的富Fe氧化膜(主要氧化物相:Fe2O3、Fe3O4;次要相:Fe O)转变为热生长具有保护性的富Cr2O3的氧化膜,导致T91钢氧化100h后氧化增重降低约一个数量级。
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