纳米颗粒复合电刷镀镍基镀层的强化机理及其性能研究

摘要

电刷镀技术从普通电刷镀、复合电刷镀到纳米颗粒复合电刷镀的发展，是为了使装备零件满足在高速、重载等恶劣工况下的服役要求。采用纳米颗粒复合电刷镀技术的目的是为了制备具有优良耐磨性能的纳米颗粒复合电刷镀层。 本文采用多种方法(超声波、机械、表面活性剂和高能机械化学法等)制备纳米颗粒复合电刷镀液，通过沉降试验优化镀液制备工艺并测试纳米颗粒在复合镀液中的粒度分布、Zeta电位以及复合镀液的pH值和电导率等特性。采用透射电子显微镜(TEM)结合扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等分析手段研究纳米颗粒复合电刷镀层的微观结构和组织形貌，研究纳米颗粒复合电刷镀层的沉积机理及纳米颗粒对镀层的强化机理，还对纳米颗粒在复合镀层接触疲劳过程中的行为、从室温到500℃的微动磨损特性及抗微动磨损机理进行了研究。获得的主要成果如下： 提出了一种能有效地制备性能稳定的纳米颗粒复合电刷镀液的方法——高能机械化学方法。与普通超声波方法、机械方法和一般表面活性剂方法相比，高能机械化学方法能降低纳米颗粒的表面能，纳米颗粒在镍基镀液中充分润湿，其表面形成总体上带负电的双电层，产生较大的静电位阻作用；加入的活性剂同时又起到空间位阻的作用。静电位阻和空间位阻的协同作用使纳米颗粒在镀液中不易团聚，分散均匀，并使复合镀液的性能长期稳定。 优化了镀层制备工艺以及纳米颗粒在镀液中的添加量。当镀液中纳米颗粒含量为20g/L时，并采用高能机械化学法制备，采用一次活化工艺作为施镀工艺，可以得到镀层中纳米颗粒含量为1.5～3.5ω％(质量百分数)、组织均匀、纳米颗粒分布均匀的复合电刷镀层。复合镀层的显微硬度在600～700Hv范围内，最高达到692Hv，是普通快镍镀层的1.58倍。 用SEM和TEM观察了纳米颗粒复合电刷镀层的组织结构，探讨了纳米颗粒复合电刷镀层的强化机理，即：细晶强化、高密度位错强化和第二相质点强化。复合镀层表面形貌细腻平整，断面组织细小，镀层中基质金属镍晶粒细小。镀层中含有大量的位错和孪晶等晶体缺陷。纳米颗粒呈弥散分布，与基质金属结合紧密。指出了纳米颗粒复合电刷镀工艺对纳米颗粒粒径存在选择性，只有粒径小于或接近一次沉积厚度的纳米颗粒才能有效地与金属离子共沉积。 对纳米颗粒复合电刷镀层断面组织和表面形貌的分析，阐明了纳米颗粒复合电刷镀层的生长过程分为三个阶段：均匀生长阶段、微凸体形成阶段及树枝状单元形成阶段。复合镀液中纳米颗粒的Zeta电位值均小于零，证明纳米颗粒与基质金属的共沉积机理是以力学机理为主。 首次对纳米颗粒复合电刷镀层接触疲劳变形层进行了TEM观察，表明在接触疲劳失效过程中，弥散分布的纳米颗粒通过阻碍位错的滑移来阻碍塑性变形的发生，并对复合镀层起到硬质强化作用，抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，揭示了纳米颗粒复合电刷镀层具有优良抗接触疲劳性能的本质。复合镀层的接触疲劳寿命可超过100万次，显著高于普通快镍镀层。纳米颗粒复合电刷镀层的接触疲劳失效过程研究表明，该过程由裂纹萌生、裂纹扩展及镀层最后断裂三个阶段组成。 对纳米颗粒复合电刷镀层组织与抗微动磨损性能关系的研究阐明了纳米颗粒复合电刷镀层的抗微动磨损机理。纳米颗粒复合电刷镀层细腻的表面形貌、细小的组织结构、高硬度和弥散分布的纳米颗粒以及微动磨损过程中纳米颗粒对磨屑层的再强化，提高复合镀层磨损面的塑性变形抗力，降低材料的粘着和转移，抑制裂纹萌生和扩展，使纳米颗粒复合电刷镀层具有较高的抗微动磨损性能。 研究证明，采用高能机械化学方法对纳米颗粒与镍基电刷镀液的多相多离子体系处理后，能制备出性能稳定的纳米颗粒复合电刷镀液，并能通过优化的电刷镀工艺制备出组织结构细小均匀的纳米颗粒复合电刷镀层。纳米颗粒复合电刷镀层具有比普通快速镍镀层更加优良的抗接触疲劳性能和微动磨损性能。纳米颗粒复合电刷镀技术提升了传统电刷镀技术，在装备再制造工程中提高零件表面的综合性能方面显示出巨大的作用并产生了显著的经济效益。 本文主要实验研究工作在装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室完成。受到了国家973计划项目(材料的环境行为与失效机理)子课题(材料失效过程的基础研究和损伤控制方法，编号：G1999065009)、总装维修改革项目(编号：2001ZB06)、2002年中英政府科技合作项目(编号：2002M3)以及装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室基金的资助。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1研究背景

1.2电刷镀技术的研究与发展

1.2.1电刷镀技术的发展历程

1.2.2单一电刷镀层的发展现状

1.2.3复合电刷镀层的发展现状

1.3纳米颗粒复合电刷镀层的研究现状

1.3.1纳米颗粒在复合镀技术中的研究进展

1.3.2纳米颗粒在电刷镀技术中的研究进展

1.3.3纳米颗粒复合镀层研究中存在的问题

1.4表面涂层的接触疲劳与微动磨损研究现状

1.4.1热喷涂层的研究

1.4.2气相沉积涂层的研究

1.4.3电沉积层的研究

1.5本文研究目的和主要研究内容

2材料与试验方法

2.1镀层制备

2.1.1基体材料

2.1.2纳米颗粒的选择

2.1.3基质镀液的选取

2.1.4复合镀液的表征

2.1.5纳米颗粒复合电刷镀层的制备

2.2镀层组织结构分析

2.3热处理工艺与显微硬度测试方法

2.4镀层接触疲劳寿命测试及分析

2.4.1镀层接触疲劳测试方法

2.4.2镀层接触疲劳寿命的处理

2.4.3镀层接触疲劳失效分析

2.5镀层微动磨损性能测试与分析

2.5.1微动磨损试验机

2.5.2微动磨损试验方法

3纳米颗粒复合电刷镀液的制备及表征

3.1纳米颗粒复合电刷镀液的制备方法

3.2复合镀液的稳定性

3.2.1分散方法对复合镀液稳定性的影响

3.2.2高能机械化学法处理后纳米颗粒表面Zeta电位

3.3纳米颗粒复合电刷镀液的表征

3.3.1复合镀液的pH值

3.3.2复合镀液的电导率

3.4小结

4纳米颗粒复合电刷镀层的沉积与强化机理

4.1纳米颗粒复合电刷镀层的沉积机理

4.1.1纳米颗粒与阴极表面的作用机理分析

4.1.2一次沉积层厚度估算

4.1.3纳米颗粒与金属离子的沉积过程

4.1.4影响复合镀层沉积过程的因素

4.2纳米颗粒复合电刷镀层的表面形貌与组织

4.2.1镀液分散方法对镀层表面形貌的影响

4.2.2镀液中纳米颗粒含量对镀层表面形貌的影响

4.2.3导电性纳米颗粒对表面形貌的影响

4.2.4纳米颗粒复合电刷镀层的断面组织

4.3纳米颗粒复合电刷镀层的微观组织

4.3.1纳米颗粒粒径的选择性

4.3.2镀液中纳米颗粒含量对镀层微观组织的影响

4.3.3纳米颗粒复合电刷镀层中的晶体缺陷

4.4纳米颗粒复合电刷镀层的显微硬度

4.4.1复合镀液制备方法对显微硬度的影响

4.4.2镀液中纳米颗粒含量对显微硬度的影响

4.4.3施镀工艺对显微硬度的影响

4.4.4热处理温度对显微硬度的影响

4.5纳米颗粒复合电刷镀层的强化机理

4.5.1细晶强化

4.5.2高密度位错强化

4.5.3第二相质点强化

4.6小结

5纳米颗粒复合电刷镀层的接触疲劳行为

5.1纳米颗粒复合电刷镀层的接触疲劳寿命

5.1.1不同制备工艺所得镀层的接触疲劳寿命

5.1.2不同纳米颗粒含量的镀液所得镀层的接触疲劳寿命

5.1.3不同载荷下复合镀层的接触疲劳寿命

5.1.4热处理后复合镀层的接触疲劳寿命

5.1.5复合镀层接触疲劳寿命数据的分散性

5.2镀层接触疲劳失效过程分析

5.2.1镀层亚表层的接触应力分布

5.2.2疲劳裂纹的萌生和扩展

5.2.3纳米颗粒复合电刷镀层接触疲劳剥落过程分析

5.3纳米颗粒复合电刷镀层接触疲劳过程中的塑性变形行为

5.3.1镀层滚道面的塑性变形

5.3.2纳米颗粒阻碍塑性变形的机制

5.4纳米颗粒复合电刷镀层组织结构与其接触疲劳性能的关系

5.4.1表面形貌和断面组织对接触疲劳性能的影响

5.4.2纳米颗粒对接触疲劳性能的影响

5.4.3热处理组织对接触疲劳性能的影响

5.5小结

6纳米颗粒复合电刷镀层的高温微动磨损特性

6.1纳米颗粒复合电刷镀层的微动磨损特性

6.1.1纳米颗粒复合电刷镀层的运行工况微动图

6.1.2微动磨损过程中的摩擦系数

6.1.3试验温度对摩擦系数的影响

6.1.4纳米颗粒复合电刷镀层的高温微动磨损性能

6.2纳米颗粒复合电刷镀层的微动磨损形貌

6.2.1复合镀层微动磨损面形貌

6.2.2快镍镀层的微动磨损面形貌

6.2.3纳米颗粒复合电刷镀层微动磨损断面形貌

6.3纳米颗粒复合电刷镀层的高温微动磨损过程

6.3.1磨屑颗粒的形成

6.3.2磨损面的温度估算

6.3.3磨屑层的形成

6.3.4磨屑层的脱落

6.4纳米颗粒提高镀层抗微动磨损性能的机理

6.4.1镀层组织结构与微动磨损性能的关系

6.4.2纳米颗粒对磨屑层的强化

6.4.3纳米颗粒复合电刷镀层抗微动磨损的机理

6.5小结

7纳米颗粒复合电刷镀技术的应用考核

7.1纳米颗粒复合电刷镀技术的应用领域

7.2纳米颗粒复合电刷镀技术实车考核

7.2.1零件修复过程

7.2.2实车考核结果

7.3纳米颗粒复合电刷镀技术在装备维修中的应用

7.4小结

8结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间获得专利目录