基于AlCl3-BMIC离子液体电沉积制备纳米Fe-Al固溶体合金涂层的环保工艺及其耐蚀机制研究

为解决高Fe含量Fe-Al固溶体合金制备难题及提升低碳钢表面耐蚀性能，研究人员采用AlCl3-BMIC离子液体电沉积技术，成功制备出Fe含量39.2-76.3 at%的纳米晶固溶体涂层。该工艺通过调控[Fe(AlCl4)4]2-与[Al2Cl7]?共沉积，获得无金属间化合物（IMCs）的均匀微观结构，其61.6 at% Fe组分涂层腐蚀电流密度较纯Al降低两个数量级，为铁基材料表面防护提供新策略。

　　

在能源转换与化工装备领域，铁基材料的表面防护一直是重大挑战。传统Fe-Al合金涂层虽具备优异耐高温氧化和腐蚀性能，但高Fe含量（>50 at%）固溶体的制备受限于铝铁熔点差异大、易形成脆性金属间化合物（Intermetallic Compounds, IMCs）等问题。现有等离子喷涂、激光熔覆等技术不仅能耗高，且难以避免IMCs导致的局部腐蚀敏感性。如何通过低温环保工艺获得无IMCs的纳米结构高Fe含量Fe-Al涂层，成为突破材料表面工程瓶颈的关键。

云南大学研究团队在《Applied Surface Science》发表的研究中，创新性地采用1-丁基-3-甲基咪唑氯铝酸盐（AlCl₃-BMIC）离子液体电沉积体系，在低碳钢表面成功制备出Fe含量39.2-76.3 at%的纳米晶Fe-Al固溶体涂层。该工作通过拉曼光谱和²⁷Al核磁共振证实FeCl₂在酸性离子液体中形成[Fe(AlCl₄)₄]^2-络合物，与[Al₂Cl₇]^?实现共沉积。通过调控电流密度（2-10 mA/cm²）和温度（30-50°C），获得微球、鹿角珊瑚和宝塔状三种特征形貌，其中61.6 at% Fe组分涂层展现出10.75 nm平均晶粒尺寸的纳米多晶结构。

关键技术包括：1）离子液体电化学沉积系统构建；2）循环伏安法（CV）和计时电流法分析共沉积行为；3）场发射扫描电镜（FE-SEM）与高分辨透射电镜（HR-TEM）表征微观结构；4）X射线衍射（XRD）确定固溶体相组成；5）动电位极化法评估3.5 wt% NaCl溶液中的耐蚀性。

Speciation of Fe(II) in AlCl₃-BMIC ILs and complexing mechanism
光谱分析揭示FeCl₂溶解后形成[Fe(AlCl₄)₄]^2-而非传统[FeCl₄]^2?，该络合物还原电位（-0.45 V vs Al³⁺/Al）与[Al₂Cl₇]^?（-0.2 V）接近，促使二者共沉积。

Electrodeposition behavior of Al-Fe alloys
CV曲线显示Fe(II)抑制[Al₂Cl₇]^?还原，导致沉积物中Fe含量恒超50 at%。计时电流分析证实沉积遵循三维瞬时成核模型，成核速率随过电位增大而加快。

Microstructure characterization
XRD证实Fe含量≤76.3 at%时为单相Fe(Al)固溶体，低于此值则存在Fe(Al)/Al(Fe)双相区。HR-TEM显示纳米晶粒表面生成4-6 nm钝化膜，是耐蚀性提升的关键。

Corrosion performance
动极化测试表明61.6 at% Fe涂层腐蚀电流密度（1.02×10^-7 A/cm²）较纯Al涂层降低98%，其优异性能源于：1）固溶体扩展了Fe/Al溶解度；2）纳米结构致密化；3）无IMCs引起的电偶腐蚀。

该研究开创了离子液体电沉积制备高Fe含量Fe-Al固溶体的新方法，突破传统工艺温度高、能耗大、易产生IMCs等技术壁垒。所获纳米晶涂层在海洋环境防腐、高温部件防护等领域具有应用潜力，为开发"以铝代铬"环保涂层提供理论依据。工作获得国家自然科学基金（52364049）和云南省重大科技专项（202302AG050008）支持。