[发明专利]钛合金基体用阻氢渗透的复合玻璃质壁垒层及其制备方法和应用

说明书

本申请公开了钛合金基体用阻氢渗透的复合玻璃质壁垒层及其制备方法和应用，属于海洋产业金属材料表面防护技术领域，包括从内向外依次包覆在钛合金基体上的含钛阻氢层、金属复合层和高分子聚合物玻璃质层；所述金属复合层由内向外依次包括FeAl过渡层、Fe‑Cr‑Al‑Si层、含钛氧化铝层和复合氧化层。本申请设计制备了多相梯度涂层，高分子聚合物玻璃质层作为最外层屏障，实现初步阻氢渗透，再通过添加Cr、Si以及稀土元素，提升金属复合层最外层抗腐蚀能力，同时反应形成了新的过渡含钛氧化铝层和含钛阻氢层，进一步提高阻氢性能，实现多重阻氢渗透，复合玻璃质壁垒层阻氢效果优异，致密度高，与基体结合强度好。

技术领域

本申请涉及一种钛合金基体用阻氢渗透的复合玻璃质壁垒层及其制备方法和应用，属于海洋产业金属材料表面防护领域。

背景技术

我国传统的能源结构发生巨大调整，风、光、氢、储等清洁能源已经成为我国及世界能源发展的主要方向。氢的燃烧热值高、来源丰富、燃烧产物零污染，被誉为21世纪的“终极能源”。可大规模替代火电，满足不断增长的电力需求，改善能源消费结构，减少碳排放。

然而，材料氢损伤问题是目前氢能源发展面临的一大难题。加氢站、输氢管道等长期处在高压（1.0-4.0MPa）临氢环境中服役，氢很容易渗透进入其结构材料内部，与材料中的成分和组织发生交互作用，导致材料强度和塑性等机械性能下降，使材料产生裂纹或发生脆断，即所谓的氢损伤（hydrogen damage），最终导致泄漏等问题，这会引发重大的安全事故，造成人员伤亡、经济损失等问题。其中针对海底输氢管道材料的设计，由于输送设备处于海底环境，不易经常维护和更换，又由于海水本身有一定的腐蚀性，因此对输送管道的要求会更高，尤其是内部阻氢性能的要求。

因此，如何避免材料氢损伤及确保设施能够长期、稳定、可靠地在临氢环境中服役是当前氢能源发展面临的技术难题。金属材料的氢损伤与氢在材料中的扩散过程息息相关，氢首先在材料表面发生物理吸附和化学吸附，溶解为氢原子进入金属内部，随之在内部发生扩散，最后到达金属另一侧进行解吸附。因此，抑制或减缓氢在材料中的渗透扩散是解决材料氢损伤问题的关键。

通过在结构材料表面覆盖一层或多层氢渗透性较低的阻氢涂层来阻止或延缓氢对结构材料的渗透扩散，同时又保留了基体材料的结构性能。然而，阻氢涂层的局部破坏损伤容易引起涂层阻氢失效，因此良好的膜基结合力和力学性能也是阻氢涂层需要具备的重要特性。

中国专利CN100532645C公开了一种钛或钛合金用阻氢或氢同位素渗透玻璃质壁垒层及其制备方法，该玻璃质壁垒层包括玻璃粉和磨加物，其最终的阻氢性能有限，结构单一。

中国专利CN108914111B公开了一种高结合强度氧化铝阻氢渗透耐腐蚀绝缘层及其制备方法和应用，该阻氢渗透耐腐蚀绝缘层由喷涂在基体材料表面的在一定比例内混合的铁铬铝合金涂层以及在铁铬铝涂层上形成的Al₂O₃阻氢层构成，其涂层结构较单一，阻氢性能有限。

中国专利申请CN101698774A公开了一种海底输气/凝析液输送管道减阻耐磨涂料，其将内减阻涂料用于海底输气/凝析液的输送管道中，它可以为油、气在输送过程和中途储存中对管道的腐蚀提供防护，但其涂层阻氢渗透能力差。

因此，如何获得阻氢因子高、涂层与基体的结合强、涂层的力学性能高的综合性能优异的阻氢涂层是实现氢能应用的前提和保障，也是氢能领域发展的“卡脖子技术”之一；特别是针对钛合金基体，由于钛合金相对于不锈钢更易于氢气反应，产生氢脆现象，并且涂层与基体的结合强度一般较低，因此防护阻氢更加困难。

发明内容