具有高(220)择优取向的纳米颗粒增强型镍基复合镀层的高效制备 | CJME论文推荐

Original 新媒体部机械工程学报 2022-04-22

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引用本文

Renjie Ji, Hui Jin, Yonghong Liu, et al. Efficient Preparation of Nanoparticle-Reinforced Nickel-based Composite Coating with Highly Preferred (220) Orientation. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2020, 33: 91.

研究背景及目的

随着现代工业和科学技术不断发展，越来越多的高端装备的关键零部件对其表面的耐磨和耐蚀等性能的要求不断提高，通常要求在其表面制备高性能的复合镀层。纳米颗粒增强金属基复合镀层具有优良的硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及抗高温氧化性，在机械零部件表面强化与改性方面显示出极大的应用潜力。然而纳米颗粒因其高的表面能，通常以团聚的形态存在于镀液中，而利用常规电沉积方式难以打破纳米颗粒的团聚态，因此所制备的复合镀层存在表面形貌粗糙、结合力差等缺陷。

喷射电沉积作为一种非常规电沉积方式，与常规电沉积方式相比，喷射电沉积中高速流动的液流加快了沉积过程中离子的传输速度。强烈的扰动使离子分布更加均匀，降低了浓差极化，提高了沉积极限电流密度。同时纳米颗粒在高速的冲液过程中打破团聚态，能够在复合镀层中均匀分布。因此利用喷射电沉积方法制备纳米颗粒增强型复合镀层时具有沉积效率高、纳米颗粒分布均匀、镀层表面质量好等优点。

在电沉积过程中，常常出现择优取向(织构)现象，即在沉积层中，相当数量的晶粒表现出某种共同取向特征，如果绝大多数晶粒的取向高度集中于某个取向，则称高择优取向。通过控制沉积层中的晶粒择优取向，能够提升沉积层的性能，甚至具有某些特殊功能。近些年来，关于常规电沉积制备镍基金属镀层中晶粒择优取向的研究也受到大家广泛关注。

本文揭示了(220)高择优取向的Ni-SiC复合镀层高效制备的原理，然后研究沉积参数对Ni-SiC复合镀层结构的影响作用，最后对所制备的具有(220)高择优取向的Ni-SiC复合镀层微观形貌、耐腐蚀性能和镀层的结合力特性等进行了研究。通过以上研究取得了一些创新性的理论与技术成果。

试验方法

具有(220)高择优取向的Ni-SiC复合镀层高效制备的实验装置如图1所示。制备过程中一根纯钛棒和基体分别与直流电源的正、负极相连。纯钛棒作为电流传输电极，将电流传输给镍珠，使镍珠成为阳极。因为钛比镍的化学性质稳定，所以在喷射电沉积过程中钛棒不被消耗，而镍珠表面发生氧化反应生成大量Ni2+，用来补充镀液中不断消耗的Ni2+。储液槽中的镀液通过水浴加热保持恒温。在喷射电沉积过程中，首先利用隔膜泵将复合镀液通过进液管输送到阳极缸，然后阳极缸中的镀液通过喷嘴高速冲击到基体上进行沉积，之后镀液通过回液管流回到储液槽中。上述过程持续进行，可使沉积层的厚度逐渐增加。通过控制移动平台来控制喷嘴与工件的相对位置，可制备出所需复合镀层的结构形状。实验中复合镀液选择瓦特型基础镀液掺入一定含量的SiC纳米颗粒，基体材料选用45#钢，在做实验前对基体进行前处理，处理的流程是精磨-除油-丙酮清洗-去离子水清洗处理。

图1 试验装置图

结果

喷射电沉积制备Ni-SiC复合镀层过程中，随着沉积电流密度的增大，复合镀层中Ni(220)取向系数逐渐增加，沉积电流密度由180 A/dm2增加到220 A/dm2，相应的TC(220)也由41.4%逐渐增加到97.7%。在对喷射电沉积制备的Ni-SiC复合镀层性能检测中发现随着TC(220)的增加，镀层表面粗糙度从Ra 0.321 μm降低至Ra 0.129 μm，表面变得更加平整。同时对镀层进行了耐腐蚀性测试，电化学测试中，随着TC(220)的增加，自腐蚀电位从-0.575 V增加至-0.477 V，腐蚀电流密度从9.52 μA·cm2降低到2.76 μA·cm2，标准盐雾腐蚀测试中，腐蚀10天后的镀层表面出现了不同直径的孔洞，随着TC(220)的增加，孔径尺寸从278~944 nm降低至153~260 nm，耐腐蚀性提高。最后测试了镀层与基体的结合力，同样发现随着TC(220)的增加，结合力从24.9 N增加到61.9 N。相对于常规电沉积方式制备的Ni-SiC复合镀层，采用喷射电沉积制备的Ni-SiC复合镀层具有表面光滑，粗糙度低，耐腐蚀性强，与基体结合强度高等优点，且这种优势随着TC(220)的增加而逐渐增加。

结论

(1) 随着沉积电流密度的增大，喷射电沉积制备Ni-SiC纳米复合镀层晶粒取向逐渐向(220)取向演变，在220A/dm2沉积电流密度条件下可制备具有(220)高择优取向的Ni-SiC复合镀层，其取向系数达到97.7%。

(2) 与常规电沉积制备的镀层相比，喷射电沉积过程中的高速射流能使纳米颗粒打破团聚状态，均匀地分散到涂层中。在高电流密度的条件下，沉积层迅速填补基材的缺陷，在表面形成更加致密光滑的复合镀层。

(2) 通过对喷射电沉积制备的Ni-SiC复合镀层的性能分析发现随着TC(220)的增加，镀层的表面质量、耐腐蚀性以及与基体的结合强度得到提升。

前景与应用

纳米颗粒增强金属基复合镀层具有优良的硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及抗高温氧化性，在机械零部件表面强化与改性方面显示出极大的应用潜力。如何得到性能更加优越的复合镀层是目前的重要研究方向，本文采用喷射电沉积制备具有（220）高度择优取向的Ni-SiC复合镀层具有表面形貌平整、耐腐蚀性强以及结合力强等优势，在材料防腐领域有良好的应用前景。

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团队带头人介绍

刘永红，主要从事先进制造技术、海洋油气装备工程等方面研究，现为中国石油大学（华东）机电工程学院院长，二级教授，博士生导师，新世纪百千万人才工程国家级人选，山东省泰山学者特聘教授，享受国务院政府特殊津贴专家，全国模范教师，中国特种加工学会常务理事，山东省高层次人才发展促进会先进制造专业委员会副主任，获省部级技术发明一等奖2项、二等奖1项、科技进步二等奖3项，承担国家自然基金面上项目5项，其他国家及省部级课题11项，发表SCI/EI论文182篇，他引1500余次，出版专著5部，授权发明专利42项，爱思唯尔(Elsevier) 2019年中国高被引学者。所指导博士生1人获全国优博提名奖、2人分别获上银铜奖和优秀奖、3名洪堡学者、2名香江学者、1名牛顿学者、1名玛丽居里学者。

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编辑：恽海艳校对：向映姣

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