Ni-Al2O3纳米复合镀层制备及性能研究

论文摘要

腐蚀和磨损是材料功能失效的主要形式。作为表面防护技术之一的纳米复合电镀,由于其设备简单、操作简便、速度快、温度低、价格低廉、易于控制等优点,不但可以提高金属表面的耐蚀、耐磨、抗高温氧化等性能,而且能够节约材料,降低制造成本,因此在航空、电子、机械、化工、冶金及核能等领域得到广泛应用。复合镀层中纳米微粒含量是决定复合镀层性能的一个关键因素,如何提高纳米微粒在复合镀层中的含量,已成为当前复合电镀研究的热点。本文采用传统电镀法（coventional electroplating-CEP）、沉降共沉积法（Sediment co-deposition-SCD）和施加强磁场（High magnetic field）制备Ni-Al2O3复合镀层,对镀层性能进行研究,得出以下主要结论:研究了各种工艺参数对镀层中纳米Al2O3含量的影响,优选出最佳工艺参数为:电镀液中纳米Al2O3微粒浓度:10g/l;电流密度:3A/dm2;搅拌速度:350rpm;pH值:4.0;温度:50℃。对镀层的表面形貌、组织结构、表面粗糙度、结合强度及元素分布情况进行表征,结果表明:用SCD法制备的Ni-Al2O3纳米复合镀层中纳米Al2O3微粒的含量均高于用CEP法制备的复合镀层中纳米Al2O3微粒的含量。复合镀层的颗粒为球状,细小、均匀且致密。纯镍镀层呈现出（200）晶面的择优取向:复合镀层均呈现出（111）晶面的择优取向。对制备的镀层硬度及性能进行了系统的研究,探讨了耐磨、耐蚀、抗高温氧化机理,结果表明:用SCD法制得的复合镀层的硬度均比用CEP法制得的复合镀层的硬度高。复合镀层硬度的提高可归因于弥散强化和晶粒细化。随着复合镀层中纳米微粒含量的增加,镀层的磨损率和摩擦系数降低。与CEP法相比,SCD法制得的纳米复合镀层具有较好的耐蚀性。在相同的腐蚀介质中,复合镀层的腐蚀电位增大,而腐蚀电流减小。共沉积的纳米微粒减少了孔隙率,提高了镀层的致密性,有效减小金属腐蚀产物向内部的扩散,从而提高了镀层的耐蚀性。用SCD法制备的纳米复合镀层经800℃、120min高温氧化后,其抗高温氧化性比纯镍镀层提高46.4%,比相同条件下用CEP法制备的复合镀层提高24.7%。纯镍镀层和复合镀层高温氧化后的产物主要为NiO和Fe2O3。高温氧化后,形成纯镍镀层的颗粒明显粗化,而纳米微粒与镍基质的共沉积抑制了颗粒的长大,镀层也较为平整。用SCD法制备的纳米复合镀层,由于纳米Al2O3微粒含量高,减小了镍基质氧化时的实际接触面积,同时减小镀层应力,阻碍裂纹的产生和增殖,因此提高镀层的抗高温氧化性。确定了纳米微粒的表面荷电状况,分析了共沉积过程动力学机理,探讨了纳米微粒与金属基质的共沉积机理,结果表明:电镀液中纳米微粒带正电。纳米Al2O3微粒的加入,阻碍了电极和电镀液界面上的反应活性点,增加了电化学反应的阴极极化。纳米微粒与Ni基质的共沉积机理为:在超声和磁力搅拌作用下,纳米微粒在镀液中均匀稳定悬浮,由于吸附了Ni2+、H+和Ni[B（OH）4]+离子而带正电;电镀液中的金属离子、带正电荷纳米微粒在电场、重力和扩散作用下被传输到阴极表面附近的流体边界层;在静电引力和机械碰撞作用下,粒子被吸附到阴极表面;金属阳离子在阴极放电,通过扩散到达晶格生长点,脱去水化层,嵌入基体晶格;沉积的金属有效捕获粒径较小的纳米微粒,驻留在阴极表面,被正在生长的金属基质嵌合,到一定程度时,纳米微粒与基质共沉积形成纳米复合镀层;粒径较大或团聚体则在镀液冲刷作用下,重新回到镀液中。施加强磁场成功制备Ni-Al2O3纳米复合镀层,详细考察了强磁场对镀层表面形貌、组织结构及性能的影响,并探讨了强磁场作用机理,结果表明:强磁场不仅影响复合镀层的形貌,使镍晶粒的择优取向发生变化,而且可以抑制氢气析出,所得镀层致密、平整。强磁场下制得的纳米复合镀层的硬度比采用磁力搅拌（搅拌速度350rpm）所得复合镀层的要高,耐磨性能好,磨损率下降,腐蚀失重减少,抗高温氧化性增强。其中磁感应强度为8T时所得复合镀层的硬度比采用磁力搅拌所得复合镀层的显微硬度提高71.1%,磨损率减少3.7倍,腐蚀失重下降41.9%,抗高温氧化性增加5.9%。强磁场通过洛仑兹力形成的磁流体动力和微-磁流体动力使镀液产生对流,增大了极限电流密度,不仅提高电镀液的分散能力,还减薄扩散层厚度,使电镀液传质增强,从而影响镀层形貌和晶粒大小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 复合镀发展历史及研究现状
• 1.2.1 复合镀发展历史
• 1.2.2 纳米复合镀
• 1.2.3 沉降共沉积法制备复合镀层
• 1.3 复合电镀机理研究及最新进展
• 1.3.1 早期机理和模型
• 1.3.2 几个重要的机理及模型
• 1.3.3 近期机理研究及模型
• 1.3.4 复合电镀机理研究最新进展
• 1.3.5 纳米复合电镀机理
• 1.3.6 其它复合电镀机理研究
• 1.4 磁电沉积研究现状及发展趋势
• 1.4.1 磁场作用下单金属电沉积
• 1.4.2 磁场作用下合金电沉积
• 1.4.3 磁场作用下复合电沉积的研究
• 1.5 论文的研究目的及内容
• 2 实验方法和装置
• 2.1 基体材料及尺寸
• 2.2 基质金属的选择
• 2.3 纳米微粒的选择
• 2.4 化学试剂及仪器
• 2.4.1 实验用主要化学试剂
• 2.4.1 实验用主要仪器设备
• 2O₃纳米复合电镀溶液的制备'>2.5 Ni-Al₂O₃纳米复合电镀溶液的制备
• 2O₃纳米复合镀层的制备'>2.6 Ni-Al₂O₃纳米复合镀层的制备
• 2.6.1 实验装置
• 2.6.2 工艺流程
• 2O₃纳米复合镀层表征'>2.7 Ni-Al₂O₃纳米复合镀层表征
• 2.7.1 镀层表面形貌
• 2.7.2 复合镀层中纳米微粒含量测定
• 2.7.3 镀层组织结构分析
• 2.7.4 镀层表面粗糙度
• 2.7.5 镀层结合强度
• 2.7.6 镀层元素分布
• 2O₃纳米复合镀层性能测定'>2.8 Ni-Al₂O₃纳米复合镀层性能测定
• 2.8.1 镀层显微硬度
• 2.8.2 镀层耐磨性
• 2.8.3 镀层耐蚀性
• 2.8.4 镀层抗高温氧化性
• 2O₃纳米复合镀层制备工艺及参数优化'>3 Ni-Al₂O₃纳米复合镀层制备工艺及参数优化
• 3.1 引言
• 3.2 电镀工艺
• 2O₃浓度'>3.2.1 电镀液中纳米Al₂O₃浓度
• 3.2.2 电流密度
• 3.2.3 搅拌速度
• 3.2.4 pH值
• 3.2.5 温度
• 3.3 镀层表面形貌
• 3.4 镀层组织结构
• 3.5 镀层表面粗糙度
• 3.6 镀层结合强度
• 3.7 镀层元素分布
• 3.8 小结
• 2O₃纳米复合镀层性能研究'>4 Ni-Al₂O₃纳米复合镀层性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验内容及方法
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 镀层硬度
• 4.3.2 镀层耐磨性
• 4.3.3 镀层耐蚀性
• 4.3.4 镀层抗高温氧化性
• 4.4 小结
• 2O₃纳米复合镀层共沉积机理研究'>5 Ni-Al₂O₃纳米复合镀层共沉积机理研究
• 5.1 引言
• 2O₃微粒表面荷电状况'>5.2 纳米Al₂O₃微粒表面荷电状况
• 5.3 共沉积过程动力学机理
• 5.4 沉降共沉积机理
• 2O₃纳米复合镀层制备及性能研究'>6 强磁场下Ni-Al₂O₃纳米复合镀层制备及性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 实验装置
• 6.2.2 工艺参数
• 6.2.3 镀层表征及性能测定
• 6.3 结果及讨论
• 6.3.1 复合镀层组织结构
• 6.3.2 复合镀层性能
• 6.3.3 强磁场作用机理
• 6.4 小结
• 结论
• 展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢