[发明专利]一种在316L不锈钢管道内壁制备二氧化硅阻氢涂层的方法

说明书

本发明提供一种在316L不锈钢管道内壁制备二氧化硅阻氢涂层的方法，包括：基体的制备，采用316L不锈钢为基体材料，利用电火花线切割分别制备若干管状样品及用于氢渗透测试的块状样品，随后用砂纸打磨试样，丙酮和超声各清洗15～20min进行粗型喷砂处理；将碱性硅溶胶与SiO₂纳米粉末按质量比3:2混合，用恒温磁搅拌器搅拌2h，其中温度为25℃，转速为1000r/min，得到分散均匀的料浆，通过高压无气喷涂设备将料浆喷入316L不锈钢管道内壁，样品在室温下干燥24h，最后，涂层样品经热处理形成稳定的SiO₂涂层。本发明的优点在于：制备的SiO₂涂层的阻氢渗透能力比316L不锈钢基体提高16倍，阻氢稳定性是316L不锈钢基体的6倍，显著提升了316L不锈钢基体的阻氢渗透性能及阻氢渗透稳定性。

技术领域

本发明涉及涂层方法，特别是在不锈钢管道内壁制备二氧化硅阻氢涂层的方法。

背景技术

核聚变可以释放大量热公害小、运行安全且污染性小的清洁能源—聚变能，对解决人类未来能源问题具有重要意义，然而其最终的实际应用仍面临诸多问题和挑战，如氚滞留和氢渗透等问题。氢的同位素氘和氚作为聚变的主要燃料，因具有较小的原子半径，极容易渗透到结构材料中，造成基体结构材料的脆化严重影响其机械性能，并导致燃料的损失和环境的污染。解决这一问题行之有效的方法是在结构材料表面涂覆阻氢涂层。

目前陶瓷类阻氢涂层因具有高氢渗透降低因子(PRF)、高强度及耐高温性能好等优点而成为阻氢涂层的首选。陶瓷类阻氢涂层已由早期以碳化物或氮化合物为主的硅基(SiC、SiN等)、钛基(TiC、TiN等)及铝基(AlC、AlN等)阻氢材料，发展为目前以氧化物(Al₂O₃、Cr₂O₃、Y₂O₃、Er₂O₃、TiO₂、SiO₂及其复合涂层)为主的阻氢材料。如申请号为201911266502.8的发明专利申请公开了一种适用于铁基不锈钢的复合梯度阻氢涂层，其包括Al渗入铁基不锈钢形成的Fe-Al梯度层、形成在所述Fe-Al梯度层表面上原位氧化形成的Al₂O₃层、以及沉积在所述Al₂O₃层的表面上的陶瓷氧化物涂层，其阻氢性能优良。氧化物涂层因具有熔点高、化学性质稳定、阻氢能力好等优点而成为目前的研究重点，其中Al₂O₃阻氢涂层因经济性和具有较高的PRF值，受国内外学者的广泛关注。但氧化物涂层也存在诸多问题，如：涂层与基体之间存在较大的热失配，使涂层易剥落；α-Al₂O₃形成温度高达1200℃，严重影响基体材料的机械性能。SiO₂阻氢涂层除具有较好的阻氢能力外，还有较高的耐腐蚀性，热稳定性，粘结性，有效解决了涂层与基体材料间的热膨胀失配问题。

传统的阻氢涂层的制备方法包括物理气相沉积、金属有机化学气相沉积、等离子喷涂、粉末包埋和金属有机物分解等。然而在聚变反应堆的包层模块中，其结构复杂且多为管道，传统阻氢涂层的制备技术难以实现在形状复杂的管道内壁制备涂层。料浆法所制备的浆料具有一定流动性，近年来得到较多应用，如申请号为201210396094.X的发明专利申请，公开了一种在多孔陶瓷基体表面料浆喷涂制备陶瓷涂层的方法，该方法包括：基体处理，料浆制备，喷涂，干燥，烧制过程；该方法通过空气雾化喷枪喷涂料浆，可批量获得均匀的涂层试样，烧制后获得的涂层致密均匀，与多孔陶瓷基体结合良好，界面清晰，涂层不会向多孔基体严重浸渗。涂层可明显降低多孔陶瓷基体的吸水率，提高表面硬度并降低基体的冲蚀率。