Ni-Al-,2-O-,3-納米復(fù)合鍍層制備及性能研究.pdf

1、腐蝕和磨損是材料功能失效的主要形式。作為表面防護(hù)技術(shù)之一的納米復(fù)合電鍍，由于其設(shè)備簡單、操作簡便、速度快、溫度低、價(jià)格低廉、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，不但可以提高金屬表面的耐蝕、耐磨、抗高溫氧化等性能，而且能夠節(jié)約材料，降低制造成本，因此在航空、電子、機(jī)械、化工、冶金及核能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合鍍層中納米微粒含量是決定復(fù)合鍍層性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，如何提高納米微粒在復(fù)合鍍層中的含量，已成為當(dāng)前復(fù)合電鍍研究的熱點(diǎn)。本文采用傳統(tǒng)電鍍法(coventi

2、onal electroplating-CEP)、沉降共沉積法(Sediment co-deposition-SCD)和施加強(qiáng)磁場(High magnetic field)制備Ni-A12O3復(fù)合鍍層，對鍍層性能進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論： 研究了各種工藝參數(shù)對鍍層中納米A12O3含量的影響，優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)為：電鍍液中納米A12O3微粒濃度：10g/l；電流密度：3A/dinz；攪拌速度：350rpm：pH值：4.0；溫度

3、：50℃。對鍍層的表面形貌、組織結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、結(jié)合強(qiáng)度及元素分布情況進(jìn)行表征，結(jié)果表明：用SCD法制備的Ni-A12O3納米復(fù)合鍍層中納米A12O3微粒的含量均高于用CEP法制備的復(fù)合鍍層中納米A12O3微粒的含量。復(fù)合鍍層的顆粒為球狀，細(xì)小、均勻且致密。純鎳鍍層呈現(xiàn)出(200)晶面的擇優(yōu)取向；復(fù)合鍍層均呈現(xiàn)出(111)晶面的擇優(yōu)取向。 對制備的鍍層硬度及性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，探討了耐磨、耐蝕、抗高溫氧化機(jī)理，結(jié)果表明：用S

4、CD法制得的復(fù)合鍍層的硬度均比用CEP法制得的復(fù)合鍍層的硬度高。復(fù)合鍍層硬度的提高可歸因于彌散強(qiáng)化和晶粒細(xì)化。隨著復(fù)合鍍層中納米微粒含量的增加，鍍層的磨損率和摩擦系數(shù)降低。與CEP法相比，SCD法制得的納米復(fù)合鍍層具有較好的耐蝕性。在相同的腐蝕介質(zhì)中，復(fù)合鍍層的腐蝕電位增大，而腐蝕電流減小。共沉積的納米微粒減少了孔隙率，提高了鍍層的致密性，有效減小金屬腐蝕產(chǎn)物向內(nèi)部的擴(kuò)散，從而提高了鍍層的耐蝕性。用SCD法制備的納米復(fù)合鍍層經(jīng)800℃、

5、120min高溫氧化后，其抗高溫氧化性比純鎳鍍層提高46.4％，比相同條件下用CEP法制備的復(fù)合鍍層提高24.7％。純鎳鍍層和復(fù)合鍍層高溫氧化后的產(chǎn)物主要為NiO和Fe2O3。高溫氧化后，形成純鎳鍍層的顆粒明顯粗化，而納米微粒與鎳基質(zhì)的共沉積抑制了顆粒的長大，鍍層也較為平整。用SCD法制備的納米復(fù)合鍍層，由于納米A12O3微粒含量高，減小了鎳基質(zhì)氧化時(shí)的實(shí)際接觸面積，同時(shí)減小鍍層應(yīng)力，阻礙裂紋的產(chǎn)生和增殖，因此提高鍍層的抗高溫氧化性。

6、 確定了納米微粒的表面荷電狀況，分析了共沉積過程動(dòng)力學(xué)機(jī)理，探討了納米微粒與金屬基質(zhì)的共沉積機(jī)理，結(jié)果表明：電鍍液中納米微粒帶正電。納米.A12O3微粒的加入，阻礙了電極和電鍍液界面上的反應(yīng)活性點(diǎn)，增加了電化學(xué)反應(yīng)的陰極極化。納米微粒與Ni基質(zhì)的共沉積機(jī)理為：在超聲和磁力攪拌作用下，納米微粒在鍍液中均勻穩(wěn)定、懸浮，由于吸附了Ni2+、H+和Ni[B(OH)4]+離子而帶正電：電鍍液中的金屬離子、帶正電荷納米微粒在電場、重力和擴(kuò)散作

7、用下被傳輸?shù)疥帢O表面附近的流體邊界層；在靜電引力和機(jī)械碰撞作用下，粒子被吸附到陰極表面；金屬陽離子在陰極放電，通過擴(kuò)散到達(dá)晶格生長點(diǎn)，脫去水化層，嵌入基體晶格；沉積的金屬有效捕獲粒徑較小的納米微粒，駐留在陰極表面，被正在生長的金屬基質(zhì)嵌合，到一定程度時(shí)，納米微粒與基質(zhì)共沉積形成納米復(fù)合鍍層；粒徑較大或團(tuán)聚體則在鍍液沖刷作用下，重新回到鍍液中。 施加強(qiáng)磁場成功制備Ni-A12Oa納米復(fù)合鍍層，詳細(xì)考察了強(qiáng)磁場對鍍層表面形貌、組織結(jié)

8、構(gòu)及性能的影響，并探討了強(qiáng)磁場作用機(jī)理，結(jié)果表明：強(qiáng)磁場不僅影響復(fù)合鍍層的形貌，使鎳晶粒的擇優(yōu)取向發(fā)生變化，而且可以抑制氫氣析出，所得鍍層致密、平整。強(qiáng)磁場下制得的納米復(fù)合鍍層的硬度比采用磁力攪拌(攪拌速度350rpm)所得復(fù)合鍍層的要高，耐磨性能好，磨損率下降，腐蝕失重減少，抗高溫氧化性增強(qiáng)。其中磁感應(yīng)強(qiáng)度為8T時(shí)所得復(fù)合鍍層的硬度比采用磁力攪拌所得復(fù)合鍍層的顯微硬度提高71.1％，磨損率減少3.7倍，腐蝕失重下降41.9％，抗高溫氧