鎳基納米鍍層的研究進(jìn)展

王婷婷 耿亞恒 于歡

【摘 要】鎳基納米鍍層具有更為致密的組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的綜合性能，受到廣大研究者的關(guān)注。本文介紹了鎳基納米鍍層的形成及鍍層制備工藝，綜述了鎳基納米復(fù)合鍍層和鎳基合金納米鍍層的研究現(xiàn)狀，分析了鎳基納米鍍層在現(xiàn)階段發(fā)展中存在的問題，解決納米顆粒復(fù)合含量以及分散等難題將推動(dòng)鎳基納米鍍層的進(jìn)一步研究。

【關(guān)鍵詞】鎳基；納米鍍層；脈沖電沉積；性能

鎳基納米鍍層一般是在鍍液中添加非水溶性的納米顆粒，將納米顆粒與鎳基進(jìn)行共沉積而得到的鍍層，不僅保留了兩者各自的優(yōu)點(diǎn)而且克服了各自的缺點(diǎn)。電沉積和化學(xué)鍍是兩種比較常用的鍍層制備的方法，由于電沉積方法的操作簡(jiǎn)單、沉積層致密、鍍層成分易控制、成本低、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用[1]。本文介紹了鍍層的形成及制備工藝，綜述了鎳基納米鍍層的研究進(jìn)展。根據(jù)對(duì)鍍層的不同性能要求，選擇適當(dāng)?shù)募{米顆粒進(jìn)行電鍍，一些研究指出，由于具有較高的硬度，良好的耐蝕、耐磨性，抗高溫氧化性及清潔性等，已成為納米復(fù)合電鍍的主要技術(shù)方向，其在表面工程及再制造領(lǐng)域的應(yīng)用也備受關(guān)注。

1、鎳基納米鍍層的制備

在鍍液中添加非水溶性的納米微粒，通過復(fù)合電鍍實(shí)現(xiàn)納米顆粒的彌散分布，鎳離子被還原成化學(xué)反應(yīng)活性高的吸附態(tài)鎳原子，與納米顆粒的相互作用使吸附態(tài)鎳原子嵌入金屬晶格變得更加容易。鍍液中添加的納米顆粒同時(shí)成為位錯(cuò)和晶界運(yùn)動(dòng)的障礙，發(fā)揮出彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化的強(qiáng)化結(jié)合效果改善鍍層的綜合性能，從而獲得所需性能的鎳基納米鍍層。

脈沖電沉積法（PC）制備的鍍層晶粒更細(xì)小、均勻，成為近些年來的鍍層制備工藝研究的重點(diǎn)，梁桂強(qiáng)等[2]分別用直流電沉積（DC）、PC制備Ni-SiC鍍層，發(fā)現(xiàn)PC鍍層晶粒細(xì)小，晶界緊湊，沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。當(dāng)采用PC和超聲波的協(xié)同作用時(shí)，基體與納米顆粒間的傳質(zhì)增強(qiáng)，鎳晶核的生長(zhǎng)速率降低，提高形核率。夏法鋒等[3]發(fā)現(xiàn)超聲波-PC制備的Ni-TiN鍍層顯微組織比其他沉積方式制得的鍍層更為致密、光滑，耐蝕性更好。陰極表面的金屬離子消耗之后，不斷交替的脈沖電流使得鍍層表面的離子濃度能夠及時(shí)得到恢復(fù)，有效地消除濃差極化，鍍層中晶粒更加細(xì)化、晶界排列更緊湊、鍍層表面平整，有利于提高質(zhì)量與性能。

2、鎳基納米鍍層的研究現(xiàn)狀

目前的鎳基納米鍍層是基于電化學(xué)，結(jié)合電結(jié)晶和強(qiáng)化理論，使一種或多種不溶性的納米尺寸顆粒與金屬粒子產(chǎn)生共沉積，納米顆粒被包裹在鎳基質(zhì)中，依據(jù)性能要求的不同，選擇適當(dāng)?shù)募{米顆粒或其組合復(fù)合電鍍，主要組合見表1。

2.1 鎳基納米復(fù)合鍍層

由于納米顆粒優(yōu)異的性能，研究者廣泛研究了納米顆粒與金屬復(fù)合電沉積行為及其所得納米復(fù)合鍍層的性質(zhì)，納米復(fù)合電鍍技術(shù)已成為表面技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

史芳芳等[4]用雙向PC法制備出Ni-Co-SiC復(fù)合鍍層，溫度為50℃，頻率為20Hz，逆向脈沖系數(shù)為0.3時(shí)，SiC分散均勻，結(jié)晶更細(xì)小均勻，鍍層表面平整，隨SiC微粒的復(fù)合引入，鍍層的全浸腐蝕速率明顯降低，且SiC的復(fù)合與雙向PC法結(jié)合使鍍層的耐蝕性得到明顯提高。

將具備抗高溫氧化性的納米顆粒在表面與鎳基共沉積，形成抗高溫氧化性鍍層，納米微粒在鍍層中有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，改善鍍層應(yīng)力狀況。Wang等[5]研究了Ni-Y2O3在900℃的高溫氧化影響，同條件下制備具有和不具有CeO2鍍層的鎳基底作為對(duì)比，結(jié)果表明，Y2O3/CeO2鍍層導(dǎo)致Ni的氧化速率顯著降低，前者更為明顯，但基本不影響氧化機(jī)制，鍍層厚度對(duì)氧化速率的影響也不顯著。

2.2 鎳基合金納米鍍層

鎳基合金納米鍍層的研究擴(kuò)大了鍍層范圍，但是鎳基合金納米鍍層的研究相對(duì)較難，獲得實(shí)際應(yīng)用的只是一小部分。

2.2.1 Ni-Fe合金納米鍍層

鐵鎳性質(zhì)相近，其鍍層是研究最早最多的合金鍍層。與純鎳鍍層相比，Ni-Fe合金鍍層具有較低的矯頑力，廣泛應(yīng)用于微齒輪、開關(guān)等諸多領(lǐng)域。黃清明等[6]用可溶性陽極電刷鍍技術(shù)制備不同鐵鎳比例鍍層，發(fā)現(xiàn)鐵含量的增加影響鍍層的晶粒取向，鐵含量大時(shí)鍍層的晶胞增大，晶格畸變大，導(dǎo)致鍍層的硬度和耐磨性增大。雖然成本低，但因Fe2+極易氧化，鍍層不易控制而應(yīng)用受限，如果Fe2+穩(wěn)定性問題能夠得到解決，鎳鐵合金及其納米復(fù)合電鍍技術(shù)將有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2.2 Ni-Co合金納米鍍層

鎳鈷合金鍍層優(yōu)異的性能使其應(yīng)用廣泛，但由于溶液中雜質(zhì)吸附、尖端放電等影響，鍍層晶粒通常粗大，易呈現(xiàn)針孔、麻點(diǎn)等缺陷，而Ni-Co鍍層則在原有基礎(chǔ)上調(diào)整了鍍層缺陷，提高了硬度、耐磨和耐腐蝕等性能。汪笑鶴等[7]采用電刷鍍技術(shù)制備Ni-Co/Al2O3鍍層，XRD檢測(cè)表明納米微粒的加入降低晶粒尺寸，但對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)影響不大，該鍍層室溫下形貌良好且硬度和耐磨性能都明顯優(yōu)于硬鉻鍍層，高溫下該鍍層還具備與硬鉻鍍層相同的抗高溫氧化性能。通過調(diào)整鍍液成分和工藝參數(shù)，可以得到任意比例的鎳鈷合金納米鍍層，獲得不同的性能。

3、結(jié)語

納米復(fù)合鍍層無論是晶粒大小、致密度，還是耐蝕性、抗高溫性都優(yōu)于普通鍍層，但因?yàn)橛绊戝儗又屑{米顆粒的因素眾多，鍍層強(qiáng)化機(jī)制各異，因此仍有大量工作亟待開展：1）鍍層中納米顆粒復(fù)合含量問題，限制了鍍層在特殊條件下的應(yīng)用，影響了鍍層性能的提高。嘗試制備較寬范圍復(fù)合量的納米復(fù)合鍍層，通過改變鍍層納米顆粒含量來控制鍍層性能，是今后的研究重點(diǎn)。2）對(duì)納米微粒的分散還未得到很好解決，需對(duì)納米微粒的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)一步研究，也要對(duì)分散劑進(jìn)行優(yōu)化。此外，多粒子納米復(fù)合鍍層或具有其他特殊功能的納米復(fù)合刷鍍層必將得到更多的研究和關(guān)注。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 徐劍剛，余新泉.電沉積納米晶鎳的研究現(xiàn)狀及展望[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006，20（S1）：30-33.

[2] 梁桂強(qiáng)，崔立功，朱永永，等.制備方法對(duì) Ni-SiC鍍層摩擦學(xué)性能的影響[J].功能材料，2014， 45（15）：1511-1513.

[3] 夏法鋒，田濟(jì)語，許秀英.沉積方式對(duì)Ni-SiC鍍層形貌和性能的影響[J].黑龍江科學(xué)， 2016，7（6）：13-15.

[4] 史芳芳，費(fèi)敬銀，陳居田，等.雙向脈沖電沉積SiC/Ni-Co復(fù)合鍍層及其耐蝕性[J]. 材料保護(hù)，2016，49（2）：42-45.

[5] Wang Y D， Li Bairu. Influence of superflicial Y2O3 coatings on high- temperature oxidation of Ni[J]. Rare Metal Metarials and Engineer- ing，2015，44（6）：1331-1334.

[6] 黃清明.Fe-Ni納米合金鍍層結(jié)構(gòu)的XRD表征[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2011（3）：450-454.

[7] 汪笑鶴，徐濱士，胡振峰，等.電刷鍍n-Al2O3/Ni-Co鍍層組織與性能的研究[J].電鍍與環(huán)保，2010，30（6）：12-16.