不銹鋼表面高耐蝕性鈀系膜層的制備與應用研究.pdf

1、不銹鋼材料具有高的化學穩(wěn)定性和優(yōu)良的綜合機械性能，是由于其基體中含有Cr，Ni等合金元素，使不銹鋼表面有很強的鈍化能力，使其在很多介質(zhì)中都具有優(yōu)良的耐腐蝕特性，所以在諸多工業(yè)領域得到廣泛應用。但是在許多化工生產(chǎn)設備中一些無機酸類如硫酸等的工作溫度往往達到85℃以上，由于溫度升高，這些無機酸就可能由氧化性轉化為還原性，這樣不銹鋼表面的鈍化膜將會溶解掉，并且失去了自我修補的能力。大部分的有機酸，如醋酸和甲酸都具有一定的還原性，在高溫條件下也

2、會對不銹鋼造成較快的腐蝕。通過一定的表面改性方法的方法對不銹鋼進行處理，能夠改善其耐蝕性，Pd作為陰極性元素添加入鈍性金屬后能夠起到較好的改性作用，顯著提高鈍性金屬的耐蝕性，但前人的研究多局限于Pd元素對于Ti基金屬的改性，而且多為添加入基體中或者利用離子注入等高能物理方法進行表面處理。這些方法都存在著成本較高，工業(yè)適用性較差的特點。本文采用化學鍍，電鍍和電刷鍍等技術成熟、工業(yè)適用性強的表面處理方法成功地在不銹鋼基材上獲得了結合力良好、

3、耐蝕性能優(yōu)異的Pd及Pd系合金膜層，獲得的Pd系膜層能夠?qū)Σ讳P鋼基體起到顯著的表面改性作用，通過電化學作用在高溫非氧化性酸性介質(zhì)中獲得非常優(yōu)異的耐蝕性能。這些鍍膜技術相對于在不銹鋼基體中添加合金元素而改善其耐蝕性的方法，其成本將會大大降低，且基體的機械加工性能不受影響，而且適用于各種形狀的不銹鋼工件，其中電刷鍍技術可以應用于大型設備的現(xiàn)場施工。
　　 (1)開發(fā)了一種適合于316L不銹鋼基材的化學鍍Pd工藝，獲得了膜層均勻、結合

4、力良好的化學鍍Pd膜。通過電子掃描顯微鏡(SEM)、能譜(EDS)、X射線光電子能譜(XPS)等方法表征了316L不銹鋼表面化學鍍Pd膜的表面形貌與膜層成分。通過浸泡實驗、極化曲線和電化學交流阻抗(EIS)研究了316L不銹鋼表面化學鍍Pd試樣在硫酸介質(zhì)和甲乙混合酸介質(zhì)中的腐蝕行為及規(guī)律，評價了其在這兩種典型非氧化性酸性介質(zhì)中的使用性能。結果表明：316L不銹鋼表面化學鍍Pd膜主要由Pd、N、P、O組成，在沸騰稀硫酸中耐蝕性能優(yōu)異，腐蝕

5、速率較316L不銹鋼下降了4個數(shù)量級，在甲乙混合酸中腐蝕速率也顯著降低。在含鹵族離子的沸騰硫酸溶液中，當鹵族離子濃度很低時，化學鍍鈀膜仍具有優(yōu)異的耐蝕性能，隨著鹵族離子濃度的增加耐蝕性能下降，溴離子比氯離子對試樣的腐蝕作用更強。在甲乙混合酸介質(zhì)中，隨溴離子濃度的增加，化學鍍Pd試樣的耐蝕性能下降。
　　 (2)開發(fā)了一種適合于316L不銹鋼基體的電鍍Pd膜工藝，能夠在不銹鋼基材上獲得結合力良好，表面均一的電鍍Pd膜。通過SEM、

6、EDS、XPS、XRD、TEM等方法表征了316L不銹鋼表面化學鍍Pd膜的表面形貌、膜層成分與結構。通過納米壓痕、顯微硬度測量表征了膜層的物理性能。通過腐蝕掛片、極化曲線測量和ElS研究了316L不銹鋼表面化學鍍Pd試樣在硫酸介質(zhì)和甲乙混合酸介質(zhì)中的腐蝕的腐蝕行為及規(guī)律，評價了在這兩種典型非氧化性酸性介質(zhì)中的使用性能，并和化學鍍Pd膜進行了對比。實驗結果表明電鍍Pd膜膜層晶粒均勻細致，基本為純Pd，膜層為多晶結構，晶格結構為面心立方體。

7、電鍍Pd膜在上述兩種介質(zhì)中的腐蝕行為和規(guī)律與化學鍍Pd膜相似，但電鍍Pd膜因為組成更純凈而比化學鍍Pd膜擁有更好的耐蝕性能。
　　 (3)首次報道了一種專門針對不銹鋼基體的電刷鍍Pd膜工藝，在316L不銹鋼表面獲得了獲得結合力良好，在高溫非氧化性酸性介質(zhì)中耐蝕性優(yōu)良的電刷鍍Pd膜。利用SEM、EDS、XRD等方法表征了316L不銹鋼表面電刷鍍Pd膜的表面形貌、膜層成分與結構，以及電刷鍍工藝參數(shù)對于膜層的影響規(guī)律。結果表明電刷鍍P

8、d膜的形貌與刷鍍電壓和刷鍍速度相關，膜層的微裂紋隨刷鍍電壓的增加而減少，隨刷鍍速度的增加而增多。膜層的晶格結構也隨刷鍍電壓和速度呈現(xiàn)規(guī)律性變化，晶格常數(shù)隨刷鍍電壓的增加而增加，隨刷鍍速度減少而增加。膜層中的共沉積氫對膜層的結構變化作用明顯，并且其含量顯著影響電刷鍍Pd膜的性質(zhì)，隨膜層中共沉積氫的增加，膜層的耐蝕性能下降。
　　 (4)開發(fā)了一種電鍍Pd-Ni合金膜工藝和一種電刷鍍Pd-Cu合金膜工藝，在316L不銹鋼上制備得到了

9、外觀均一，結合力良好的Pd-Ni合金膜和Pd-Cu合金膜。腐蝕掛片和電化學測試表明Pd-Ni合金膜層在高溫硫酸介質(zhì)中的耐蝕性能優(yōu)異，但卻不具備在高溫甲乙混合酸介質(zhì)中對316L不銹鋼基體的保護效果，而Pd-Cu合金膜在高溫硫酸介質(zhì)中不具備防護性能，但在高溫甲乙酸介質(zhì)中對316L不銹鋼基體有優(yōu)異的保護效果。通過SEM、EDS、XPS、XRD等研究方法對Pd-Ni合金膜和Pd-Cu合金膜進進行了表征，研究結果表明：Pd-Ni合金膜為面心結構的

10、完全固溶體，膜層中的Ni含量可以通過工藝參數(shù)在30-50 at.％之間調(diào)控，Pd在Pd-Ni膜層表面富集，膜層中Ni含量的增加會降低膜層的耐蝕性。電刷鍍Pd-Cu合金膜的晶粒大小隨刷鍍電壓的增大而減少，但刷鍍電壓對膜層中Pd和Cu的相對含量卻影響不大，與Pd-Ni相反，Pd-Cu合金的表面存在Cu的富集。
　　 (5)系統(tǒng)地通過動電位掃描技術、電位測量技術、電偶腐蝕實驗、交流阻抗技術和X射線光電子能譜研究了不銹鋼和Pd系膜層的復

11、合體系在高溫硫酸中的耐蝕機理和腐蝕失效機制。Pd系膜覆蓋不銹鋼表面后，由于電偶作用，不銹鋼基體處于鈍化區(qū)，暴露的不銹鋼表面則生成穩(wěn)定的鈍化膜，不銹鋼因此而獲得了優(yōu)異的耐蝕性。鍍鈀體系的腐蝕電位與該偶合體系的陰陽極面積比密切相關，兩者的面積比與混合電位之間存在著對應關系。只有混合電位達到或超過基體的鈍化電位，體系才能獲得穩(wěn)定的鈍態(tài)，而陰極和陽極面積比越大，體系越穩(wěn)定。Pd/不銹鋼復合體系腐蝕失效過程基本可以劃分為三個階段：穩(wěn)定階段，緩慢腐