【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属表面阻氢。具体地说是一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化膜层及其制备方法和应用。
技术介绍
1、表面阻氢涂层制备工艺众多，如电镀法、高温渗铝氧化法、原位氧化法、气相沉积法及微弧氧化法。其中微弧氧化法是一种原位制备氧化物陶瓷层的表面技术，其特点为工艺简单、所制涂层与基体结合力大、涂层厚度高，适用于高温、易腐环境服役的涂层材料制备。对zrh1.8基体微弧氧化制备zro2涂层由于凝固过程中存在t-zro2向m-zro2晶型转变使得涂层中裂纹萌生，并且微弧氧化成膜机制为电弧击穿导致涂层中存在放电孔等缺陷。因此，如何改善氢化锆mao膜层这类本身具有良好阻氢性能却存在微孔、裂纹等膜层的缺陷，成为了亟需研究的重点。
技术实现思路
1、为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜及其制备方法和应用，可以在在氢化锆表面形成具有封孔、缓蚀、阻氢等功能于一体的阻氢mao/al2o3-ceo2复合膜，该复合膜可以应用在中子慢化材料中。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜，在氢化锆基体上生成微弧氧化陶瓷膜层，在微弧氧化陶瓷膜层上密集生长含铈溶胶封孔层。
4、上述一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜，微弧氧化陶瓷膜层的厚度为30～50μm；含铈溶胶封孔层的高度为1～5μm，复合膜层的表面粗糙度为1.39～2.46μ
5、在氢化锆基体表面制备具有相容性的微弧氧化陶瓷膜层(mao膜层)，两者以冶金方式结合，提高了氢化锆基体的失氢温度，同时在微弧氧化陶瓷膜层表面进一步生长制备sol-gel层，sol-gel表示溶胶凝胶，经浸渍提拉镀膜及热处理后，复合膜层能够对mao膜层表面的微小缺陷进行封堵，还可以增强表面膜层对氢原子的捕获能力，使膜层具有较强的阻氢渗透性能。
6、上述一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，包括如下步骤：
7、(1)取氢化锆基体，经过水磨、清洗、烘干后备用；
8、(2)将氢化锆基体置于电解液中，以氢化锆基体为阳极，不锈钢槽为阴极，进行微弧氧化处理，获得微弧氧化陶瓷膜层；mao膜层的厚度为30～50μm，mao膜层的粗糙度为2.2～3.2μm；
9、(3)配制铈掺杂的铝溶胶凝胶，将具有微弧氧化陶瓷膜层的氢化锆基体置于铈掺杂的铝溶胶凝胶中进行浸渍提拉并热处理，获得具备阻氢性能改进的mao/al2o3-ceo2复合膜层；溶胶层沉积在mao膜层上的高度为1～5μm，mao/al2o3-ceo2复合膜层的粗糙度为1.39～2.46μm。
10、上述一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，在步骤(2)中，电解液以去离子水为溶剂，溶质为三聚磷酸钠、氢氧化钠和乙二胺四乙酸二钠；在电解液中，三聚磷酸钠的浓度为16g/l，氢氧化钠的浓度为2g/l；乙二胺四乙酸二钠的浓度为2g/l。
11、上述一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，步骤(2)中，微弧氧化的条件为：采用恒压模式，正向电压为380v，负向电压为160v，频率为200hz，占空比为50％，电解液温度为25℃，微弧氧化时间为15min。
12、上述一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，铈掺杂的铝溶胶凝胶的具体配制方法为：将0.08mol的异丙醇铝加入到去离子水中加热至85℃搅拌1h，取适量的ce(no3)3加入到去离子水中充分溶解，并加入异丙醇铝溶液搅拌30min，加入2mol/l硝酸搅拌4h调节ph至2，配置al、ce摩尔比为8：1，铝离子溶度为0.1-0.5mol/l的铝溶胶凝胶。
13、上述一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，在步骤(3)中，氢化锆基体浸入铈掺杂的铝溶胶凝胶时间为1min，浸渍提拉速度为2-5mm/s。
14、上述一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，在步骤(3)中，升温速率为5℃/min，热处理的温度为475～550℃，热处理时间为3～5h。热处理温度对sol-gel层的生长起到重要作用。热处理温度较低时，sol-gel层中杂质难以挥发逸出，当温度较高时，sol-gel层易产生热裂纹。
15、上述一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，在步骤(3)中，将微弧氧化后的试样以2mm/s的速率垂直放入盛有铈掺杂的铝溶胶凝胶的烧杯中，浸入铈掺杂的铝溶胶凝胶时间为1min，再以相同的速率提拉出来；待浸渍提拉处理结束，将试样置于室温通风环境下待其自然干燥，待干燥后将其放入干燥箱，加热至90℃干燥10min；重复浸渍提拉及干燥过程5次后，将试样放入马弗炉进行热处理；热处理条件为以5℃/min的速率升温至550℃，保温3h后随炉冷却。
16、本专利技术的制备原理为：在上述制备过程中，控制微弧氧化膜层表面的生成的sol-gel层形貌的主要因素是溶胶凝胶的浓度、热处理的温度和时间。较低的浓度下获得的mao/al2o3-ceo2复合膜层表面封孔效果较差，膜层分布不均匀，在膜层表面缺陷处难以生长，而在平坦膜层表面分布较好；采取较低温度进行热处理导致溶胶膜层残留较多有机杂质，表面整体呈卷曲状；当采取较高温度进行热处理时，膜层整体相对致密，相结构产生一定转变。
17、根据以上内容，本专利技术中通过微弧氧化基体在铝浓度为0.04mol/l的sol-gel中浸渍提拉时，550℃经过3h保温后的综合形貌确定了sol-gel膜层在微弧氧化表面密集生长的形貌。
18、上述一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜在空间核电源、核反应堆领域上的应用。
19、本专利技术的技术方案取得了如下有益的技术效果：
20、(1)本专利技术膜层表面的sol-gel膜层能够对微弧氧化层上的孔隙缺陷等处实施密集的封堵，使膜层具有较强的阻氢渗透的能力，能够有效增加氢化锆的阻氢性能，从而延长该材料的服役期限。
21、(2)本专利技术的sol-gel膜层由于组成和结构的可调性，可以通过调节溶胶流动性及粘度使其在裂纹等缺陷处涂覆生长，相较于微弧氧化膜层有一定的提升，当sol-gel膜层处于工作环境中时，层间的al2o3本身具备优良的中子捕获能力，封孔的同时提升了整体的阻氢性能，对膜层起到保护增强的作用。
22、(3)本专利技术采用ce(no3)3与异丙醇铝制备溶胶进行涂覆，在制备溶胶膜层后的al2o3热膨胀系数为8.6×10-6/℃，与zro2的9.6×10-6/℃不匹配，通过加入ceo2调节sol-gel膜层的热膨胀系数，降低热处理过程中裂纹产生的风险。
23、(4)本专利技术所获得复合膜层兼具了微弧氧化法和溶胶凝胶本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种含铈Sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜，其特征在于，在氢化锆基体上生成微弧氧化陶瓷膜层，在微弧氧化陶瓷膜层上密集生长含铈溶胶封孔层。
2.根据权利要求1所述的一种含铈Sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜，其特征在于，微弧氧化陶瓷膜层的厚度为30～50μm；含铈溶胶封孔层的高度为1～5μm，复合膜层的表面粗糙度为1.39～2.46μm，PRF值为12.6～18.1，失氢温度为665℃～730℃。
3.如权利要求1-2任一所述的一种含铈Sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种含铈Sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，电解液以去离子水为溶剂，溶质为三聚磷酸钠、氢氧化钠和乙二胺四乙酸二钠；在电解液中，三聚磷酸钠的浓度为16g/L，氢氧化钠的浓度为2g/L；乙二胺四乙酸二钠的浓度为2g/L。
5.根据权利要求3所述的一种含铈Sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，微弧氧
6.根据权利要求3所述的一种含铈Sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，铈掺杂的铝溶胶凝胶的具体配制方法为：将0.08mol的异丙醇铝加入到去离子水中加热至85℃搅拌1h，取适量的Ce(NO3)3加入到去离子水中充分溶解，并加入异丙醇铝溶液搅拌30min，加入2mol/L硝酸搅拌4h调节pH至2，配置成Al、Ce摩尔比为8：1，铝离子溶度为0.1-0.5mol/L的铝溶胶凝胶。
7.根据权利要求3所述的一种含铈Sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，氢化锆基体浸入铈掺杂的铝溶胶凝胶时间为1min，浸渍提拉速度为2-5mm/s。
8.根据权利要求1所述的一种含铈Sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，升温速率为5℃/min，热处理的温度为475～550℃，热处理时间为3～5h。
9.根据权利要求3所述的一种含铈Sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，将微弧氧化后的试样以2mm/s的速率垂直放入盛有铈掺杂的铝溶胶凝胶的烧杯中，浸入铈掺杂的铝溶胶凝胶时间为1min，再以相同的速率提拉出来；待浸渍提拉处理结束，将试样置于室温通风环境下待其自然干燥，待干燥后将其放入干燥箱，加热至90℃干燥10min；重复浸渍提拉及干燥过程5次后，将试样放入马弗炉进行热处理；热处理条件为以5℃/min的速率升温至550℃，保温3h后随炉冷却。
10.根据权利要求1-2任一所述的一种含铈Sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜在空间核电源、核反应堆领域上的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜，其特征在于，在氢化锆基体上生成微弧氧化陶瓷膜层，在微弧氧化陶瓷膜层上密集生长含铈溶胶封孔层。
2.根据权利要求1所述的一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜，其特征在于，微弧氧化陶瓷膜层的厚度为30～50μm；含铈溶胶封孔层的高度为1～5μm，复合膜层的表面粗糙度为1.39～2.46μm，prf值为12.6～18.1，失氢温度为665℃～730℃。
3.如权利要求1-2任一所述的一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，电解液以去离子水为溶剂，溶质为三聚磷酸钠、氢氧化钠和乙二胺四乙酸二钠；在电解液中，三聚磷酸钠的浓度为16g/l，氢氧化钠的浓度为2g/l；乙二胺四乙酸二钠的浓度为2g/l。
5.根据权利要求3所述的一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，微弧氧化的条件为：采用恒压模式，正向电压为380v，负向电压为160v，频率为200hz，占空比为50％，电解液温度为25℃，微弧氧化时间为15min。
6.根据权利要求3所述的一种含铈sol-gel封孔层的氢化锆微弧氧化复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，铈掺杂的铝溶胶凝胶的具体配制方法为：将0.08...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫淑芳，张泽华，杨傲，王海鸥，郭春霞，朱若非，李占林，陈健，康雨欣，王颖，李新，陈伟东，李鑫荣，盖施澎，陈柱，张泽，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：
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