高温铝合金复合镀层的制备及工艺毕业论文(编辑修改稿)

高温铝合金复合镀层的制备及工艺毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

(111) 该理论还认为 H2PO2还可以发生自身的氧化还原反应沉积出 P 沈阳理工大学学士学位论文 10 3H2PO2→H 2PO3+H2O + 2OH +2P (112） 由于式 (111)、 (112)的反应速率远低于 (19)，故镍磷合金中的磷含量在一定的范围内波动，低 pH条件下式 (111)、 (112)的反应速率增加， (19)的反应速率降低，镀层中的含磷量增加。 2）氢化物传输理论 [14] 该机理认为次磷酸根的行为与硼氢酸根离子类似， H2PO2分解不放出原子态的氢，而是放出还原能力更强的氢化物离子（氢的负离子），H2PO2只作为 H的供体，镍离子被 H还原。 可以表述如下： 在酸性介质中， H2PO2在催化表面与水反应 H2PO2+H2O→H 2PO3+H++H (113) 碱性介质中 H2PO2+2OH→HPO 32+H2O+H (114) Ni2+被 H还原 Ni2++2H→(Ni 2++2H+2e)→Ni+H 2 (115) H同时可以和 H2O或 H+反应 酸性 H++H→H 2 (116) 碱性 H+2H2O →H 2+OH (117) 对 P 的共析解释如下： 2H2PO2+6H+4H2O→ 5H 2+8OH+2P (118) 3）电化学机理 [12] 该机理认为镍离子被次磷酸根还原的过程是由阳极反应次磷酸根还原剂的氧化和阴极反应镍离子的还原两个独立的部分组成，并由它们的电极电位来判断反应的过程。 阳极反应： H2PO2+H2O →H 2PO3+2H++2e E0 a = (119) 阴极反应： Ni2++2e →Ni E 0 a = (120) 2H++2e →H 2 E a 0 =0V (121) H2PO2+2H++e →2H 2O+P Ea 0 = (122) 电化学机理能解释镍沉积的同时有磷的共沉积，并且同时析出氢气。 4）羟基 镍离子配位理论 [1213] 与前面的三种机理不同，羟基 镍离子配位理论认为次磷酸根真正起到了还原剂的作用，要点是 Ni2+水解后形成 NiOH+ ad。 沈阳理工大学学士学位论文 11 水在催化剂表面离解 H2O→H ++OH (123) OH与溶剂化的 Ni2+配位 Ni(H2O)62++2OH→[OH „ Ni(aq)„ OH] +6H2O (124) 配位的 Ni2+与 H2PO2反应生成的 NiOH+吸附在催化活性表面，再进一步还原为 Ni。 [OH„ Ni(aq)„ OH]+H2PO2→ NiOH + ad+H2PO3+H (125) NiOHad+H2PO2→Ni+H 2PO3+H (126) H原子来源于 H2PO2的 PH键，两个 H原子反应析出 H2 H+H → H 2 (127) 同时在 Ni 的催化表面上直接反应形成 P，并与 Ni 共沉积 Nicat+2H2PO2→2P+NiOH + ad+3OH (128) 同时存在副反应 (129)和 (130)。 (129)的存在抑制了化学镀镍的发生，而 (130)则降低了次磷酸根的利用率。 NiOHad+H2O →Ni(OH) 2ad+H (129) H2PO2+H2O →H 2PO3+H2 (130) 复合镀的发展及机理 复合镀的发展及研究现状 在化学镀镀液中加入不溶性纳米固体粒子，施镀过程中纳米固体微粒和基质金属共沉积，通过这种方法制备得到性能优异的复合镀层技术就是纳米化学复合镀 [15]。 化学复合镀层的发展初期主要是以镍、铜、钴等单金属为基质金属，以 Al2O SiC、 SiO2 等耐高温粉末作为固体粒子。 随着研究的深入，除陆续采用铁、银、锌、金、铅、锡、钯、等单金属作为基质金属外，还曾使用铜锌、铜锡、镍铁、锡铅等合金。 而复合镀的不溶性固体颗粒也大大的扩展了；除原来使用过的氧化物、碳化物、氮化物之外，几乎所有类型的陶瓷颗粒、各种金属粉末、树脂粉末以及石墨、 MoS WS、聚四氟乙烯、金刚石、等均可作为共沉积的颗粒 [16]。 沈阳理工大学学士学位论文 12 复合镀的机理 复合镀层的生成过程包括在基体表面上金属析出、成长和分散粒子的吸附过程。 也就是说在静电引力、物理、机械搅拌等作用下，悬浮在镀液中的微粒被吸附在被镀基体上，与基体金属发生共沉积 [17]。 关于复合镀的生成机理，一般认为分三个步骤： 1. 非金属粒子在搅拌等机械作用下，运动抵达基体附近的表面。 2. 在外力作用下与镀件表面进行冲击吸附。 3. 固体微粒子由物理吸附、静电引力的作用进入双电层，而被不断析出的金属或合金所埋没，嵌合在镀层中形成复合镀层 [18]。 功能特性 在化学镀液中加入纳米 SiC、 ZrO AL2O3 或 TiO2 等可制备不同成分的化学复合镀层，施镀过程选择镍基、锌基、铜基或银基可得到相应基质金属复合镀层，这些复合镀层功能特性可概括如下 [9]： （ 1）高硬度高耐磨性。 纳米化学复合镀层与其它接触面相对滑动时，承受磨损负载的主要是弥散分布的硬质纳米微粒，复合镀层耐磨性大大提高，此外纳米复合镀层表面状况和内部组织结构也提高其耐磨性。 原因是镀层微米颗粒因半露表面影响其粗糙度；纳米颗粒粒径小，纳米复合镀层表面光滑，并且随着载荷增加和镀层温度升高，能够抑制镀层中镍基固溶体和 Ni3P 化合物析出长大 ，镀层在高温硬度仍较高。 （ 2） 自润滑性。 改善摩擦界面上的润滑状态是重要而有效的减少磨损措施 自润滑复合镀层将固体润滑剂的纳米微粒，如氟化石墨等用化学镀的方法夹嵌在 NiP 合金或 NiB 合金等基质金属中得到纳米复合材料，纳米复合镀层相对于微米级复合镀层摩擦系数更小，抗粘着性能更好，更适用于无油润滑条件下的使用。 （ 3） 抗高温氧化性。 随着温度升高，化学镀 NiP 合金层、电镀 Ni 层电镀 Cr 层和微米级复合镀层硬度下降，一般使用 θ不能超过 400℃，采用纳米复合镀技术加入具有抗高温氧化性的纳米颗粒后提高纳米复合镀层使用温度。 （ 4）耐腐蚀性。 纳米粉体尺寸小，可填补镀层由析氢形成的孔隙，纳米粉体表面活性高，与镀层中的金属原子相互扩散，或者形成配位吸附，甚至形成化学键合，相对微米级复合镀层而言提高了镀层的致密度和耐蚀性。 沈阳理工大学学士学位论文 13 （ 5）其它功能特性。 纳米材料在声、光、电、热和磁上的物理化学特性，使纳米化学复合镀层具有特殊性能，如光催化、导电导热、杀菌或催化加氢裂解等 [5]。 复合镀的存在的问题 虽然纳米材料在复合镀层中的研究应用具有很好的发展前景 ，但由于纳米复合电沉积尚处于萌芽阶段，许多技术还不成熟。 目前应用纳米颗粒镀液还存在的一些主要问题有： ：由于纳米颗粒本身存在一定的催化性能，更易诱发镀液的分解，加入稳定剂吸附在活性物质表面，可使镀液的使用周期延长。 ：打破纳米颗粒团聚的方法通常由机械搅拌、磁力搅拌、气体搅拌和超声波分散，目前最有效的办法是加入表面活性剂，但其分散性问题仍未得到很好的解决。 ，包括纳米粒子的种类、基质金属的种类以及基础溶液的种类；注重 纳米复合镀层的应用研究，拓展纳米复合镀层的应用领域。 ，包括沉积机理和影响因素，纳米粒子和基质金属的界面关系，纳米复合镀层具有优异性能的内在机理等[19]。 沈阳理工大学学士学位论文 14 第二章 实验 实验材料、药品及设备 实验药品 实验中所用药品、试剂如表 所示： 表 所用药品、试剂 药品名称 分子式 纯度 生产厂家 六水合硫酸镍 NiSO46H2O 分析纯 国药集团化学试剂有限公司 乙酸钠 CH3COONa 分析纯 沈阳力诚试剂厂 次磷酸钠 NaH2PO2H 2O 分析纯 国药集团化学试剂有限公司 柠檬酸 C5H8O7H 2O 分析纯 天津致远化学试剂有限公司 酒精 C2H5OH 分析纯 天津致远化学试剂有限公司 氨水 NH3 分析纯 沈阳力诚试剂厂 十二烷基硫酸钠 C12H25SO4Na 分析纯 国药集团化学试剂有限公司 氯化镍 NiCl26H2O 分析纯 沈阳市于洪区于洪乡工业园区 碳酸钠 Na2CO3 分析纯 沈阳力诚试剂厂 氢氧化钠 NaOH 分析纯 天津致远化学试剂有限公司 磷酸钠 Na3PO4 分析纯 沈阳力诚试剂厂 盐酸 HCl 分析纯 沈阳力诚试剂厂 硝酸 HNO3 分析纯 天津市大茂化学试剂厂 实验材料 （ 1）试片材料：高温合金 GH4169，尺寸 7 cm cm ，合金成分如 表所示 [20]： 表 高温合金各化学元素的质量分数 成分 Cr Ni Nb Mo 质量分数 /% 成分 Al Ti Fe 质量分数 /% 沈阳理工大学学士学位论文 15 （ 2）添加颗粒：纳米γ Al2O3 颗粒，纯度为 %，粒径为 20nm，硬度为 2020~3000HV（数据来自厂家）。 实验仪器 实验中使用的仪器名称、型号以及生产厂家如表 所示： 表 实验仪器 仪器名称 仪器型号 生产厂家 电子天平 FA2104N 上海民桥精密科学仪器有限公司 数显直流恒速搅拌器 JJ6 金坛市金南仪器厂 电热恒温水浴锅 DZKWD2 北京市永光明医疗仪器场 数显酸度计 PHS25 杭州雷磁仪器分析厂 可调直流稳压电源 PS305DM 香港龙威仪器仪表有限公司 采用 FM300 型显微维氏硬度计，测量沉积层硬度值。 先对试样进行试测量，确定硬度测量时的加载载荷 50g，加载时间 5s。 在金相图上绘出菱形对角线长度，与硬度计连接的电脑显示该点硬度值。 随机测量五点，取其平均值。 压得的菱形对角线长度 D与硬度的关系式为。 式中： vH —金刚钻四棱椎体压头测得的维氏显微硬度值， kg/mm2； P —外加载荷之重量， g； D —四方压痕对角线平均长度， μm 电化学测试采用 CHI660D 型电化学工作站，对试样耐蚀性能进行研究。 使用三电极体系，其中工作电极为样品，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，工作电极的面积为 1 1cm2，配置 %NaCl 溶液为腐蚀介质，在常温下进行操作。 复合镀层的制备及工艺流程 前处理 (1)前处理的原因 因为工件表面存在着各种各样的表面变性层、氧化层、油污层，想要得到结合力好的镀层，必须进行一系列的前处理工作，以除去这些阻碍镀层金属中2v DP1854H 沈阳理工大学学士学位论文 16 的原子按基体的晶格结构外延长生长的阻碍层。 前处理过程主要包括：机械处理，除油，酸洗，水洗等。 机械处理主要目的是使零件粗糙不平的表面光滑平坦，以及除去零件表面的毛刺和氧化皮、锈以及沙眼、沟纹、气泡等。 除油的目的是除去零件表面的油污，主要方法有化学除油，电化学除油，超声波除油等。 酸洗的目的是除去零件表面的氧化皮以及使表面活化。 (2)前处理配方及工艺 前处理中除油与活化配方与工艺如表 [21]： 表 化学除油配方及工艺参数 组成及工艺 药品用量及工艺参数 NaOH 50g/L Na3PO4 10g/L Na2CO3 50g/L 温度 8090℃ 时间 10min 表 活化液配方 组成及工艺 药品用量及工艺参数 HCl 40% HNO3 13% 温度 常温 时间 1min 闪镀 闪镀是许多难镀基体在化学镀镍时采取的有效措施普通的钢和低合金钢的前处理不宜采用闪镀镍作底层。 但当 Cr 或 Ni%的合金钢，渗碳钢，氮化钢进行化学镀镍时，就应该采用闪镀镍，是上述钢表面活化。 因此高温合金进行化学镀之前，必须要进行化学活化，这样镀层与基体之间可以得到满意的附着力。 闪镀镍配方及工艺参数如表 ： 沈阳理工大学学士学位论文 17 表 闪镀镍配方及工艺 组成及工艺 药品用量及工艺参数 NiCl2 250g/L。