一种导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于表面涂层材料制备技术领域，具体涉及一种导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002]固体氧化物燃料电池是一种在中高温条件下将反应物的化学能直接转化成电能的全固态化学发电装置，是继火电、水电、核电之后的第四代能源一一燃料电池家族一一的成员之一，具有其能量转换率高和环境友好等特点，被誉为21世纪的绿色能源，应用前景广阔。固体氧化物燃料电池是高温燃料电池，其运行温度高，对材料要求高，而且还存在热膨胀等问题，因此成本居高不下，阻碍了其推广应用。连接体是固体氧化物燃料电池堆的关键组件之一，需要具备良好的热稳定性、优良的导电性、匹配的热膨胀系数、良好的隔绝阴极气氛和阳极气氛的能力、良好的化学兼容性、低廉的成本、简单的制备工艺、良好的热导率等特征。近年来，固体氧化物燃料电池的工作温度从1000°C降到600°C?800°C，使得相对廉价的金属材料取代传统陶瓷材料制备连接体成为可能，其中热膨胀系数与固体氧化物燃料电池其它组件匹配最好、成本较低的铁素体不锈钢成为最具潜力的连接体材料。但是，铁素体不锈钢在固体氧化物燃料电池的服役环境中面临着以下问题:(1)耐高温腐蚀性能不足，(2)表面腐蚀产物膜导致接触电阻增大，(3)表面Cr203膜形成挥发性的含Cr介质导致阴极中毒。这些问题使得固体氧化物燃料电池组的服役性能和商业化运行面临着严峻挑战。
[0003]为解决以上问题，国内外学者在合金开发和涂层制备两方面进行了一些研究。合金开发以合金成分改良为主，旨在使合金表面生成外层为导电的抑制Cr挥发的阻挡层，内层为Cr203保护层的双层结构的氧化膜。这些合金虽能降低Cr的挥发，但仍有Cr的挥发问题，且研究成本较高。涂层制备是在不锈钢连接体表面施加导电、抗氧化涂层，以有效抑制Cr的挥发和降低铁素体不锈钢基体不锈钢的氧化速率。涂层体系涉及到活性元素氧化物涂层、稀土钙钛矿类涂层、尖晶石涂层、MAlCrY0(M代表Co、Mn、Ti等金属)涂层等。其中，钴锰尖晶石涂层因其较高的电导率、匹配热膨胀系数、优异的耐蚀性，而受到特别关注。
[0004]钴锰尖晶石涂层的制备方法有喷涂、丝网印刷、溶胶凝胶、等离子喷涂、电沉积、磁控溅射等。综合考虑成本、工艺等因素，电沉积钴锰合金法制备涂层具有以下优势:设备简单、成本低廉、涂层性能优异(结合力好、孔隙率低)、试样外形无限制等。但是电沉积钴锰合金方法制备钴锰尖晶石涂层锰含量低，不能得到电导率更高的高锰含量的Mn1.5COl.504*层体系，即使通过工艺改进使锰含量提高，但涂层较薄，不能长时间提高铁素体不锈钢基体抗氧化性能。截止目前，尚未发现有关电沉积钴锰金属+氢氧化锰涂层-氢氧化锰转化热处理-高温热转变方法来制备高锰含量的导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的方法见诸报道。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法。该方法以钴锰合金以及氢氧化锰涂层为核心，经热转化处理能够获得附着力好、孔隙率低、导电性好、耐蚀性好、锰含量高的钴锰尖晶石涂层。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0007]步骤一、对铁素体不锈钢基体进行表面预处理，所述表面预处理包括打磨、喷砂、除油、酸洗和活化；
[0008]步骤二、采用双电极电化学沉积的方法在步骤一中经表面预处理后的铁素体不锈钢基体的表面制备钴锰合金-氢氧化锰复合涂层；所述双电极电化学沉积所采用的工作电极为铁素体不锈钢基体，对电极为石墨板，电镀液为CoCl2、MnCl2、EDTA、NH4Cl和去离子水混合均匀而成的混合液，所述电镀液中CoCl2、EDTA和MnCl2的摩尔比为1: 1: 25，所述电镀液的pH值为2.5?6.5 ;
[0009]步骤三、将步骤二中沉积有钴锰合金-氢氧化锰复合涂层的铁素体不锈钢基体置于真空加热炉中，在温度为750°C的条件下保温2h进行第一热转化处理，在铁素体不锈钢基体的表面得到钴锰合金-氧化锰复合涂层；
[0010]步骤四、将步骤三中沉积有钴锰合金-氧化锰复合涂层的铁素体不锈钢基体置于真空加热炉中，在温度为800°C的条件下保温2h进行第二热转化处理，在铁素体不锈钢基体的表面得到导电耐蚀钴锰尖晶石涂层。
[0011]上述的一种导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中所述打磨的具体过程为:依次采用240#、400#和600#的SiC砂纸对铁素体不锈钢基体进行打磨。
[0012]上述的一种导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中所述喷砂所采用的砂粒为A1203砂和/或S1 2砂，所述喷砂的压力为0.2MPa?0.4MPa，所述喷砂的时间为3min?5min。
[0013]上述的一种导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中所述除油的具体过程为:在超声波震荡的条件下，采用去离子水和/或丙酮为介质对铁素体不锈钢基体进行除油，所述除油的时间5min?lOmin。
[0014]上述的一种导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中所述酸洗所采用的酸液为HC1-HN03混合酸液，所述HC1-HN0 3混合酸液中HC1的质量百分含量为8%?10%，HN03的质量百分含量为2%?5%，所述酸洗的时间为40s?80s。
[0015]上述的一种导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，步骤一种所述活化所采用的活化剂为质量百分比浓度为10%?20%的硫酸，所述活化的时间为40s?80s。
[0016]上述的一种导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述双电极电化学沉积的电流密度为100mA.cm2?275mA.cm 2，所述双电极电化学沉积的时间为 lOmin ?30mino
[0017]上述的一种导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述钴猛合金-氢氧化猛复合涂层的厚度为5 μ m?20 μ m。
[0018]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0019]1、采用本发明制备的钴锰尖晶石涂层完整且与铁素体不锈钢基体附着好，没有瘤状氧化铁生成，能够显著提高铁素体不锈钢基体的抗氧化性能；钴锰尖晶石涂层的相结构为外层MnuCouOy内层CoMnCr04，由此可知，本发明通过制备钴锰合金-氢氧化锰涂层体系，能显著提高涂层中锰含量，从而得到电导率更高的Mn1.5COl.50jl，弥补了电镀钴锰合金方法制备钴锰尖晶石涂层锰含量低的不足，能进一步降低接触电阻。
[0020]2、本发明制备工艺简单、对设备要求低、成本低廉；所制涂层与基体的附着力良好，致密度高，具有良好的导电性和耐蚀性。
[0021]3、本发明通过研究发现，热转化处理是将钴锰合金-氧化锰涂层转变为钴锰尖晶石涂层的重要步骤，其中处理温度和处理时间是主要参数。本发明通过大量创造性实验，并根据Co-Μη-Ο体系在空气中的稳定相图和钴锰合金涂层中[Co]/[Co+Mn]的摩尔比，最终优化出第一热转化处理的温度为750°C，第二热转化处理的温度为800°C，每次热转化处理的时间均为2h，使制备得到的涂层外层为钻猛尖晶石体系中电导率最尚的MnuCouC^尖晶石层，更能够满足固体氧化物燃料电池金属连接体表面苛刻的工作条件。
[0022]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
【附图说明】
[0023]图1为本发明实施例1钴锰合金-氢氧化锰复合涂层的表面微观SEM照片。
[0024]图2为本发明实施例1制备的导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的表面微观SEM照片。
[0025]图3为本发明实施例1制备的导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的XRD谱图。
【具体实施方式】