[发明专利]一种铀及其合金表面陶瓷涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属表面耐腐蚀性膜层的制备方法，具体涉及一种铀及其合金表面陶瓷膜层制备方法。

背景技术

金属铀因其独特的核性能及高密度性在核武器中被用作核裂变与结构部件材料；其次，铀及其化合物还是军用和民用核反应堆中的主要核燃料；此外，铀及其合金还被用作氢同位素的分离储存材料、贫铀弹及射线屏蔽材料等。但是，由于铀的化学性质极其活泼，非常容易与周围大气环境中的氧气、水汽等发生化学以及电化学反应生而遭受腐蚀，而且腐蚀速度较快，同时产生的粉末状腐蚀产物在空气中形成放射性气溶胶会污染环境，并对操作者构成放射性危害。因此，铀的腐蚀防护是人们在长期使用及存放铀的过程中一直关注的问题。

防止金属腐蚀最简便、最有效的方法是对其进行表面处理，利用表面涂层技术在基体和外界环境之间形成的屏障，以达到抑制和缓解金属及其合金材料腐蚀的功能。长期以来，应用于铀上的防护层制备技术有很多，上世纪80年代前，使用合金化、有机膜层、保护性氧化膜、电镀以及化学镀等方法来减缓金属的腐蚀；80年代后，随着科学技术的进步，薄膜技术有了质的飞越，等离子体、激光束、电子束以及超高真空等科学技术成果被逐渐引入到材料表面防腐工程中，离子注入、真空离子镀、离子束辅助沉积以及磁控溅射等方法以其优异的性能成为铀表面防腐的重要选择手段。但这些方法均存在一定的缺陷，比如合金化，更多是为了获得所需的力学性能，只能起到短期的保护作用；有机涂层由于结构疏松从而导致其介质渗透率大，使得阻挡隔离效果不佳；保护性氧化膜也只有短期的保护作用；电镀、化学镀虽然开展的较早，但这类方法应用于具有放射性的铀上，存在膜基结合力差、预处理工艺复杂、电镀废液难处理等问题；离子注入由于改性层较浅，也存在长期耐腐蚀性能不好的问题；使用磁控溅射等物理镀膜方法虽可获得致密性较好的膜层，但是膜层与基体之间结合力不强，这一问题尽管可以通过热等静压技术来解决，但会导致涂层内形成裂纹降低膜层的耐腐蚀性能。

阴极微弧电沉积技术是近年来发展起来的一种金属表面处理技术，它是将金属或其合金作为阴极置于电解质溶液中，利用电化学方法，借助阴极表面阻挡层微弧放电产生能量，在热化学、电化学和等离子化学的共同作用下，将阴极表面沉积的氢氧化物直接脱水烧结形成陶瓷氧化物涂层。该方法用于金属表面耐腐蚀涂层的制备具有操作简单、膜基结合力好、膜层耐腐蚀性能好的优势。到目前为止，阴极微弧电沉积技术尚未见在金属铀或其合金表面制备陶瓷涂层的报道，仅仅只适用在钇、钛、铝、镁等金属及其合金上的应用。例如杨晓战,何业东,王德仁等.阴极微弧电沉积钇稳定氧化锆涂层[J].科学通报,2002,47:525-529，通过阴极微弧电沉积技术在FeCrAl合金上制备了钇稳定氧化锆陶瓷涂层，然而需要先在基体表面沉积一层绝缘层作为阻挡层，预处理复杂。Yang X,He Y,Wang D,et al.Cathodic micro-arc electrodeposition of thick ceramic coatings[J].Electrochemical and solid-state letters,2002,5(3):C33～C34；李新梅,李银锁,憨勇.钛表面阴极微弧电沉积制备氧化铝涂层[J].无机材料学报.2005,20(6):1493～1499；金乾,薛文斌,李夕金,等.钛表面阴极微弧沉积氧化铝涂层的组织结构及其性能研究[J].航空材料学报.2009,29(3):61～65；Xue W,Jin Q,Zhu Q.High temperature oxidation behavior of titanium coated by cathodic microarc electrodeposition[J].Trans.Mater.Heat Treat,2010,31(9):124～132。以上其他金属表面通过阴极微弧电沉积方法制备陶瓷涂层的实例简单地嫁接在金属铀或其合金上应用效果并不理想，缺乏针对性。因此，需要寻找一种有针对性地适合于金属铀或其合金表面制备陶瓷涂层的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种铀及其合金表面陶瓷涂层的制备方法，有效地克服了现有技术中的工件预处理复杂、需求真空环境、成本较高、处理时间长、长期耐腐蚀性能不佳、膜基结合力不强等缺陷。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种铀及其合金表面陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：