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316L不锈钢表面电镀钯合金膜层工艺及其在非氧化性介质中耐蚀行为研究

鞠鹏飞  
【摘要】:不锈钢表面的钝化膜使得不锈钢在很多介质中有着良好的耐蚀性,但是在非氧化性介质,比如高温稀硫酸、高温醋酸中,不锈钢表面的钝化膜会发生溶解,且无法再自修复,使得不锈钢发生腐蚀。对于不锈钢在醋酸中的腐蚀行为,前人进行了大量的研究,但是对于不锈钢在PTA(对苯二甲酸)浆料中的腐蚀行为尚不明确。对不锈钢表面电沉积钯或者钯合金膜层能够提高不锈钢在非氧化性介质中的耐蚀性,但是,如何进一步提高钯膜合金膜层在高温醋酸中的耐蚀性,以及钯合金膜层在高温醋酸、高温稀硫酸中的耐蚀机制前人研究较少。 本文基于316L不锈钢在高温含溴离子醋酸中的腐蚀行为规律,模拟了PTA浆料(PTA粉末+含溴离子醋酸)干燥过程中浆料湿度对不锈钢腐蚀行为的影响,研究发现,加热不锈钢能够降低界面湿度,显著减小腐蚀速率。在温度恒定的条件下,不锈钢在PTA浆料中的腐蚀速率随湿度的变化呈抛物线变化,在PTA浆料的固液比为25:4时,不锈钢的腐蚀速率最大,在过湿或者过干的PTA浆料中的腐蚀速率均较小。 为了进一步提高钯合金膜层在醋酸中耐蚀性,本文采用了在钯膜层中添加Cu、Ni、Mo合金元素,对纯Pd膜层进行热处理,在不锈钢表面制备Pd-Ni/Pd-Cu复合膜层三种改进方法,并研究了以上三种工艺制备的膜层在还原性介质中的耐蚀性。 通过电沉积的方法能够在304L不锈钢表面沉积一层钯铜镍钼合金膜层,膜层均匀致密,结合力良好,硬度较高。钯铜镍钼膜层性能与沉积电流密切相关,沉积电流密度越小,膜层越平整致密,硬度越高,耐蚀性能也越好。当沉积电流密度为1.2A/dm~2时,膜层在含溴离子沸腾醋酸中的腐蚀速率为0.61g·m~(-2)·h~(-1),而当沉积电流密度降低至0.8A/dm~2时,膜层在含溴离子醋酸中的腐蚀速率降低至0.05g·m~(-2)·h~(-1)。铜含量对膜层的耐蚀性能有较大的影响,当膜层中铜含量为5.03wt%时,膜层耐蚀性达到最佳,为0.02g·m~(-2)·h~(-1)。 对不锈钢表面镀钯试样进行热处理,可以除去钯膜层中的氢,使膜层的电化学性能可以得到较大程度的恢复,提高了膜层的自腐蚀电位,从而增强膜层耐蚀性。200℃/4h、400℃/4h的热处理条件对膜层元素百分含量以及晶格结构没有明显影响,200℃/4h热处理镀钯膜层中的钯是金属态,400℃/4h热处理镀钯膜层中的钯是氧化态。热处理后,镀钯试样表面的显微硬度明显提高。 通过电沉积能够在316L不锈钢表面制备约3μm的Pd-Ni/Pd-Cu复合膜层。与单层Pd-Cu膜层相比较,该膜层具有更高的硬度,弹性模量和附着力。膜层的孔隙率也明显降低。Pd-Ni/Pd-Cu复合膜层较低的孔隙率可以阻止氯离子渗透膜层到达不锈钢基体。同时复合膜层高硬度、高弹性模量以及更好的附着力的特点,可以提高膜层的耐冲蚀能力,以上因素使得Pd-Ni/Pd-Cu复合膜层能够明显地提高316L不锈钢的耐蚀性能。特别是在既有冲刷腐蚀又有氯离子的复杂环境中,复合膜层表现出了优异的耐蚀性能。在搅拌速率为900r/min并含有0.005mol/LCl~-的沸腾甲乙混合酸中,表面镀有Pd-Ni/Pd-Cu复合膜层的不锈钢试样的腐蚀速率比表面镀有单层Pd-Cu膜层不锈钢试样小了一个数量级。 在80℃0.5mol L-1H_2SO_4+2ppm F-溶液中,在316L不锈钢表面电镀钯能够促进不锈钢基体自发钝化。当316L不锈钢与钯连接之后,在试样表面形成了一层钝化膜,比不锈钢本身的空气氧化膜相比,钝化膜的耐蚀性能明显提高。这可能是因为钝化膜中含有更多的Cr,更高含量的Cr(OH)_3与Fe_3O_4,并且钝化膜有着更小的点缺陷浓度。 最后,本文研究了在316L不锈钢表面沉积Pd,Cr-Pd膜层在PEM燃料电池双极板上的应用。与316L不锈钢相比,电镀钯或者Cr-Pd试样的腐蚀速率降低了三个数量级;电镀钯或者Cr-Pd试样的表面接触电阻同样也显著降低。


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