碱性电解槽极框加工技术
关键词：碱性电解槽；极框；双极板密封；镍基合金；精密加工；表面完整性；氢脆；智能制造
描述：极框作为碱性水电解槽的“骨骼”，其加工精度、表面完整性及长期服役可靠性直接决定了电解槽的密封性、极间电压均匀性与寿命。本文系统梳理了极框服役工况、材料演进、加工技术路线及质量控制体系，结合最新工程案例与学术成果，提出面向 30 年设计寿命、电流密度 ≥0.8 A cm⁻²、泄漏率 ≤1×10⁻⁹ Pa·m³ s⁻¹ 的极框制造技术规范，并对大尺寸（单槽 ≥1000 Nm³ H₂ h⁻¹）极框的智能制造趋势进行展望，为碱性电解槽国产化与降本增效提供工艺支撑。
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1 引言
碱性水电解（AWE）因技术成熟、单槽产氢量大、无贵金属催化剂等优势，成为 10 MW 级以上绿氢项目的首选路线。极框作为双极板与隔膜之间的多级密封载体，其平面度、粗糙度、镀层孔隙率及残余应力水平直接影响：
（1）密封比压的均匀性——决定氢氧串气风险；
（2）极间接触电阻——贡献 8 %–12 % 的欧姆损耗；
（3）装配应力场——诱发镍层微裂纹与氢渗透通道。
随着单槽尺寸由 0.2 m² 级扩大到 3.6 m² 级，极框最大外廓已突破 2200 mm×1200 mm，而厚度公差仍要求 ≤±0.02 mm，传统“钣金成型+后加工”模式已无法满足精度与成本的双重约束，亟需从材料、装备、工艺与检测四个维度进行系统重构。
2 极框服役工况与失效机理
2.1 机械—热—化学耦合载荷
极框在 70–90 ℃、30 wt % KOH 环境中承受 0.3–0.6 MPa 的密封比压，并经历 5–10 min 快速变载（热启动/停机）与 1–2 MPa 水压试验循环。有限元分析表明，极框螺栓孔边最大 Mises 应力可达 280 MPa，已超过退态 Ni201 的 0.2 % 屈服强度（Rp0.2 ≈ 150 MPa），发生局部塑性累积。
2.2 氢损伤
碱性介质中，Ni 表面吸附 H 原子并沿晶界扩散，当局部 H 浓度 >15 wt ppm 时，形成 NiH 相导致韧性下降 40 % 以上；在交变应力作用下，裂纹扩展速率 da/dN 提高 5–7 倍。极框密封槽根部因应力集中成为氢致开裂（HIC）优先形核区。
2.3 缝隙腐蚀
镀镍层若存在 >5 μm 的贯通孔隙，KOH 液膜在密封槽缝隙内浓缩，产生 −0.2 V vs. Hg/HgO 的局部电位降，诱发 Ni 的横向晶间腐蚀，形成“腐蚀—泄漏—应力重分布—裂纹扩展”正反馈。
3 材料选择与设计准则
3.1 基材
（1）Ni201（UNS N02201）：C ≤0.02 wt %，可避免晶界碳化物连续膜，降低敏化倾向；
（2）Ni200+Cu 复合：在螺栓孔区域局部覆 Cu（0.5 mm），提高屈服强度至 220 MPa，缓解塑性塌陷；
（3）316L 不锈钢+Ni 复合：成本降低 35 %，但需控制 Ni 镀层孔隙率 <1 cm⁻² 以确保耐蚀性。
3.2 镀层体系
功能梯度 Ni 层：底层 5 μm 高磷化学镀 Ni-P（12 wt % P）提供非晶屏障，中间 15 μm 电镀 Ni 填充微观凹坑，表层 2 μm 低应力 Ni 封孔并降低接触电阻至 ≤3 mΩ·cm²。
3.3 结构优化
密封槽采用“双梯形+圆弧底”构型，槽底 R 0.2 mm 抑制应力集中；螺栓孔外侧增设 0.3 mm 高凸台，形成“硬—软—硬”梯度压缩，使 PTFE 密封垫压缩率稳定在 25 %±3 %。
4 制造技术路线
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4.1 下料与毛坯制备
（1）真空熔炼+电渣重熔：控制 [S]≤5 ppm，[H]≤2 ppm，降低氢脆源；
（2）热轧开坯：终轧温度 ≥950 ℃，道次变形量 ≥25 %，获得平均晶粒尺寸 80–100 μm 的再结晶组织；
（3）固溶退火：1050 ℃/30 min/WQ，使碳化物充分溶解，Rp0.2 降至 120 MPa 以下，利于后续冷精整。
4.2 精密成形
4.2.1 整体模锻—冷精整路线
针对 ≥2 m 大尺寸极框，采用 80 MN 四柱液压机进行等温模锻（模具温度 350 ℃，毛坯温度 450 ℃），一次成形密封槽轮廓，槽深误差 ≤±0.05 mm；随后进行 180 ℃温态冷精整，平面度 ≤0.03 mm/100 mm。
4.2.2 焊接框架—加工路线
对于多品种小批量，采用 4 mm 厚 Ni201 板激光拼焊（4 kW 光纤激光，焊接速度 1.5 m min⁻¹，离焦量 +2 mm），焊后利用 10 kW 滚动锻压实现焊缝在线固结，使焊区硬度与母材差异 <15 HV。
4.3 机械加工
4.3.1 设备
选用龙门式五轴加工中心（X×Y×Z：3000 mm×2000 mm×500 mm），全闭环光栅反馈，定位精度 ≤±0.005 mm；主轴最高 24000 r min⁻¹，满足 Ni 基材料高速切削要求。
4.3.2 刀具与参数
（1）粗加工：整体硬质合金立铣刀 Φ20 mm，TiAlN 涂层，vc = 120 m min⁻¹，fz = 0.12 mm/z，ae = 0.3D，ap = 2 mm，乳化液 8 % 浓度；
（2）半精加工：金刚石涂层刀尖圆弧 R0.4 mm，vc = 200 m min⁻¹，fz = 0.08 mm/z，ae = 0.1D，ap = 0.2 mm；
（3）精加工：单晶金刚石飞切刀，vc = 300 m min⁻¹，f = 0.02 mm/r，ap = 0.005 mm，实现密封槽表面粗糙度 Ra ≤0.2 μm，Rmr(c=0.2 μm)≥90 %，满足 ISO 13565-1 对密封功能面的要求。
4.3.3 误差补偿
采用“加工—在位测量—再加工”闭环：雷尼绍 OMP60 触发式测头对 128 个特征点进行网格测量，基于 B-spline 曲面拟合生成误差云图，通过宏程序对刀路进行 3D 偏置补偿，最终平面度 ≤0.02 mm，槽深一致性 ≤±0.008 mm。
4.4 镀层制备
4.4.1 前处理
（1）超声碱洗：70 ℃，NaOH 30 g L⁻¹，Na₃PO₄ 20 g L⁻¹，超声功率 20 kW m⁻²，去除有机污染物；
（2）阳极电解除氧化皮：H₂SO₄ 100 g L⁻¹，电流密度 5 A dm⁻²，30 s，表面形成均匀活化点；
（3）冲击镍：Cl⁻ 含量 150 g L⁻¹，pH 0.8，电流密度 10 A dm⁻²，30 s，获得 0.3 μm 高结合力底层。
4.4.2 化学镀 Ni-P
镀液组成：NiSO₄·6H₂O 25 g L⁻¹，NaH₂PO₂·H₂O 30 g L⁻¹，络合剂乳酸 25 mL L⁻¹，稳定剂 Pb²⁺ 0.5 ppm；温度 88 ℃，pH 4.8，装载量 1 dm² L⁻¹，沉积速率 12 μm h⁻¹。通过在线 XRF 测厚闭环控制，厚度偏差 ≤±0.5 μm。
4.4.3 电镀 Ni 封孔
瓦特镍配方：NiSO₄·6H₂O 300 g L⁻¹，NiCl₂·6H₂O 45 g L⁻¹，H₃BO₃ 40 g L⁻¹；温度 55 ℃，pH 3.8，电流密度 4 A dm⁻²，使用脉冲电源（Ton 2 ms，Toff 8 ms，占空比 20 %），降低镀层内应力至 −20 MPa，孔隙率 <0.3 cm⁻²。
4.5 热处理与残余应力调控
镀后 220 ℃/2 h 真空时效，使 Ni-P 层析出 Ni₃P 硬质相，显微硬度由 550 HV 提升至 750 HV；同时采用低频振动时效（30 Hz，加速度 0.5 g，30 min）将极框表面残余拉应力由 +180 MPa 降至 −30 MPa（压应力），抑制氢致裂纹萌生。
4.6 清洗与洁净封装
经过去离子水多级逆流漂洗（电导率 ≤1 μS cm⁻¹），在 ISO 5 级洁净室内进行氮气吹扫与双层真空铝箔封装，确保出厂颗粒物（≥0.5 μm）≤100 个/ dm²，满足 PEM 同级别洁净要求，避免碱性系统“跑碱”导致的后续污染。
5 质量检测与评价方法
5.1 几何量测
（1）龙门式三坐标（Leitz PMM-C 20.15.10），精度 MPEE = 1.5 + L/400 μm，对密封槽深度、宽度、位置度进行 100 % 检测；
（2）白光干涉仪（Zygo NewView 9000）扫描 1 mm×1 mm 区域，获取密封面 Sa、Sdq 等三维参数，建立与泄漏率的统计模型。
5.2 镀层完整性
（1）硝酸蒸汽试验：将试样置于 65 % 浓硝酸 30 s，孔隙处显现绿色腐蚀点，统计单位面积孔隙数；
（2）电化学噪声（EN）监测：在 30 wt % KOH、80 ℃ 条件下，记录电流噪声 Rn >1×10⁻⁹ A Hz⁻½ 的事件频次，与 1000 h 浸泡后的实际泄漏率呈指数相关（R² = 0.92）。
5.3 力学与氢脆
（1）慢应变速率拉伸（SSRT）：应变速率 1×10⁻⁶ s⁻¹，80 ℃/KOH 饱和氢环境，断面收缩率比 ≥0.9 为合格；
（2）热萃取氢分析：取样 0.5 g，1100 ℃熔融，氢含量 ≤5 wt ppm。
5.4 密封性能
采用“氦质谱+压降”双通道检测：先将极框/双极板/隔膜叠装至 0.55 MPa，抽真空至 1 Pa，充氦至 0.1 MPa，质谱仪最小可检漏率 1×10⁻¹¹ Pa·m³ s⁻¹；再通氮气至 0.6 MPa，记录 24 h 压降 ≤0.5 kPa，折算泄漏率 ≤1×10⁻⁹ Pa·m³ s⁻¹，优于 ISO 22734-2 对碱性电解槽的最高等级要求。
6 大尺寸极框智能制造展望
6.1 数字孪生
基于 NX + Teamcenter 构建极框全生命周期数字孪生，实时映射加工误差、镀层厚度与装配应力，预测泄漏概率，实现由“事后检测”向“过程预测”转变。
6.2 机器人协同加工
采用 2 台 6 轴机器人（负载 500 kg）协同抛光，力控传感器闭环 1000 Hz，实现密封槽 Ra 0.1 μm 一致性；通过激光导航 + QR 地标定位，机器人可在 20 min 内完成 3 m 长极框自动上下料，节省 60 % 人工。
6.3 绿色镀镍
开发离子液体 Ni 镀体系（ChCl-EG 深共熔溶剂），电流效率 >95 %，无氨氮排放；与可再生能源耦合，实现“绿氢”装备的全链条低碳制造。
6.4 区块链质量溯源
将镀液成分、加工参数、检测数据写入 Fabric 联盟链，客户可通过智能合约实时验证关键批次信息，降低认证成本 40 % 以上，为出口欧盟提供符合碳边境调节机制（CBAM）的数据支撑。
7 结论
（1）极框失效由“氢脆—腐蚀—应力松弛”三元耦合主导，必须从材料纯度、残余压应力、镀层孔隙率三方面协同设计；
（2）“模锻预成形+金刚石飞切+梯度 Ni-P/Ni 镀层+振动时效”一体化工艺，可将 2200 mm 级极框的平面度控制在 0.02 mm，泄漏率 ≤1×10⁻⁹ Pa·m³ s⁻¹，满足 30 年设计寿命；
（3）数字孪生与机器人协同技术将推动极框制造由“经验试错”走向“模型驱动”，预计 2027 年前实现单件加工成本下降 25 %，良品率提升至 99.5 %，为 100 MW 级绿氢基地提供核心零部件保障。
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