论文部分内容阅读
本文采用复合电镀技术、通过向传统普通电镀液中加入纳米Al粉制备了具有纳米结构的新型Ni-Al复合镀层。作为对比，本文同时还制备了稀土CeO2改性的Ni-Al纳米复合镀层以及微米Al粉粒子弥散分布的Ni-Al复合镀层。本文中Al纳米粒子的平均尺寸为75nm，CeO2纳米粒子的平均尺寸为7nm，Al微米粒子的尺寸在1～5μm之间，其平均尺寸为2.3μm。利用带能谱的扫描电子显微镜(SEM/EDX)、电子探针(EPMA)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、高分辨电镜(HREM)、热重分析(TGA)等技术和设备，研究了粒子浓度，粒子尺寸，电流密度等对粒子复合量以及镀层的微观结构的影响，Ni-Al纳米复合镀层的高温氧化行为以及稀土CeO2和扩散合金化热处理对其氧化性能的影响。
镀层中Al的复合量随镀液中粒子浓度的增加而增加，粒子尺寸对复合量的影响不大，但Al粒子尺寸的细化使最高复合量向低的电流密度方向移动。当电流密度小于1A/dm2时，粒子复合量随电流密度的增加而增加，而当电流密度大于1A/dm2时，粒子复合量随电流密度的增加反而降低。H+的还原(以原子状态复合到镀层中或以H2气的形式析出)在复合电镀过程中有着非常重要的作用。
TEM分析表明：Al粒子的细化不仅有利于粒子在镀层中的均匀分布而且还促进了Ni晶粒的细化；而HREM分析表明：Al纳米粒子表层存在一层3～5nm的非晶Al2O3钝化膜。
Ni-Al纳米复合镀层的氧化性能随镀层中Al含量的升高而增强。对于Ni-Al复合镀层存在一个形成保护性Al2O3氧化膜的临界Al含量。当镀层中的Al含量低于形成保护性Al2O3所需的临界Al含量时，纳米Al颗粒的存在通过掺杂作用反而加速了镀层的氧化；当镀层中的Al含量高于这一临界Al含量时，镀层将由于保护性Al2O3氧化膜的快速形成而表现出优异的抗高温氧化性能。形成保护性Al2O3氧化膜的临界Al含量与颗粒尺寸大小有关。这是因为在相同的Al含量条件下，Al颗粒尺寸的细化增加了在氧化初期复合镀层单位面积内Al2O3的形核率，缩短了不同Al2O3核间的距离，从而缩短了Al2O3核横向生长形成连续保护性Al2O3氧化膜所需要的时间；与此同时基体Ni晶粒的细化也有利于Al通过晶界向氧化前沿的快速扩散，从而也促进了保护性Al2O3氧化膜的快速形成。微量稀土CeO2对Ni-Al纳米复合镀层初期恒温氧化行为没有影响，但却明显提高了Ni-Al纳米复合镀层的抗循环氧化性能。氧化膜的微观结构(TEM)分析表明：不管是恒温还是循环氧化，当Ni-Al或Ni-Al-CeO2纳米复合镀层能形成保护性氧化膜时，所形成的富Al的NiAl2O4和Al2O3具有纳米晶结构。
在合金化的过程中，由于密度的变化所引起的体积收缩将会在镀层中留下大量的空洞。研究表明经800℃扩散3小时后，Ni-Al纳米复合镀层的合金化已经完成。氧化实验结果表明，在相同的Al含量条件下，合金涂层表现出更好的抗氧化性能，这可能与热处理有利于均匀的富Al氧化物形成有关。