金属陶瓷复合涂层用预镀层的制备与作用机理研究

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本论文主要目标是探讨GH202合金表面金属-陶瓷复合涂层适用的预镀厚镍过渡层的制备方法及其作用机制。试验分别尝试用化学镀及电镀两种方法在GH202合金表面制备厚度达35~100μm的预镀镍层。论文首先通过查阅大量文献以及试验验证遴选了镀速较快,镀液稳定性良好,且使用较为广泛的酸性化学镀液体系;进一步研究配位剂CH3COONa与NH4CI对化学镀镍沉积速度、表面镀层形貌以及磷含量的影响,测定了酸性化学镀镍溶液中残留Ni2+与H2PO2浓度的变化规律。利用电化学工作站CHI660C测定了不同溶液温度、镀覆时间等因素条件下的电化学曲线;还研究了外偏压对Ni-P沉积过程的影响,就此探讨外场诱发化学沉积的行为规律。电沉积预镀镍层时选用的是Watts经典镀液,为此着重研究了SDS(十二烷基硫酸钠)与不同偏压对镍过程电化学行为的影响。为了分析预镀层的作用机制,考核预镀层的使用效果,试验中还制备了金属-陶瓷复合涂层。通过DSC、XRD及SEM等观测技术研究了玻璃体的熔制过程、烧结后复合涂层的结构与形貌特征;借助氧化增重实验、维氏硬度测试对两种预镀层进行初步研究;借助热震循环实验对真空烧结后的试样(金属-陶瓷涂层+预镀层)进行了使用性能评价;利用EDS重点分析了在高温烧制过程中金属-陶瓷涂层与预镀层中元素扩散行为和分布特征。得出了以下几点结论:(1)采用化学镀及电镀两种方法均可成功地在GH202合金表面制备出预镀厚镍层。化学镀覆适宜的镀液为:NiSO4—6H2O80g/L, NaH2PO2·H2O24g/L, CH3COONa·H2O12g/L, NH4Cl6g/L, H3BO38g/L;所获得镀层厚度达35~75μm,镀层磷含量6.19wt%左右。电镀溶液采用Watts配方+50mg/L SDS,可获得厚度达50~100μm的纯镍镀层。(2)随着镀液中CH3COONa含量的增加,化学镀镍的沉积速度呈峰值变化,镀层中磷含量大致在6.19-10.45wt%范围;而随着NH4C1的含量增加时,沉积速度则变化不大,但镀层中磷含量有减小的趋势;当CH3COONa和NH4CI之比在2:1时,镀层的沉积速度较大。(3)随着镀液中CH3COONa含量的增加,化学镀镀层表面瘤状物的数量和尺寸明显减小,而随着NH4Cl的含量增加时,镀层内应力降低,镀层表面微裂纹区域减少;当CH3COONa和NH4Cl之比在2:1时,化学镀Ni-P镀层光滑,平整,表面质量最佳。随着镀覆时间延长,镀液中Ni2+与H2PO2-浓度逐渐降低,镍沉积速度随之明显下降,而H2PO2-浓度降低速度更快。(4)随着温度升高,GH2O2合金在化学镀液中的开路电位负移,阴极还原起始电位明显正移,体系的阻抗值逐渐减小。当温度为70℃以上时,合金表面出现明显的镍-磷沉积,对应着开路电位与阻抗值均显著下降,阻抗谱低频端出现感抗弧。(5)引入外场偏压,有助于化学沉积过程。偏压越大,体系阻抗值越小,当偏压增加到-0.59VSCE后,化学沉积过程趋于稳定。采用Watts溶液电镀时,添加SDS,施加偏压都能减小电沉积过程的阻抗值;当偏压为-0.7VSCE左右时,已出现明显的镍沉积反应。(6)热震循环试验表明,在GH2O2合金表面,无论采用电沉积纯镍预镀层,还是化学镀覆Ni-P预镀层均能满足热震(室温—900℃)循环试验的考核要求。几种涂覆情况按照优劣排序为:纯镍预镀层+金属-陶瓷涂层>Ni-P预镀层+金属-陶瓷涂层>金属-陶瓷涂层。
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