金属陶瓷复合涂层用预镀层的制备与作用机理研究

摘要

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NH4Cl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:NiSO4·6H2O80 g/L，NaH2PO2·H2O24 g/L, CH3COONa·H2O12 g/L, NH4Cl6 g/L, H3BO38 g/L;所获得镀层厚度达35～75μm，镀层磷含量6.19 wt％左右。电镀溶液采用Watts配方+50 mg/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6.19～10.45 wt％范围;而随着NH4Cl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NH4Cl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，GH202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-0.59 VSCE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-0.7 VSCE左右时，已出现明显的镍沉积反应。
　　(6)热震循环试验表明，在GH202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。

目录

声明

摘要

1．文献综述

1．1 引言

1．2 金属陶瓷涂层概述

1．2．1 高温陶瓷涂层应用与发展简介

1．2．2 高温陶瓷涂层的分类及组成

1．2．3 高温陶瓷涂层的制备及烧结方法

1．2．4 高温陶瓷涂层的选择与设计思路

1．3 预镀层概述

1．3．1 陶瓷与金属之间预镀层的作用

1．3．2 陶瓷与基体间预镀层的分类

1．3．3 陶瓷与基体间预镀层的选择

1．4 化学镀法制备预镀层

1．4．1 化学镀镍的特点

1．4．3 化学镀镍的原理

1．4．4 化学镀镍液的组成及作用

1．4．5 影响化学镀镍的工艺因素

1．4．6 化学镀镍的研究现状与发展

1．5 电镀法制备预镀层

1．5．1 电镀镍的性质、分类及工艺条件

1．5．2 电镀镍基本原理

1．5．3 电镀镍的影响因素

1．5．4 电镀镍镀覆过程中常见问题及原因

1．6 电化学分析方法概述

1．6．1 交流阻抗法

1．6．2 循环伏安法

1．7 本课题研究的意义及内容

1．7．1 课题的背景及意义

1．7．2 课题的研究内容

2．实验方法

2．1 化学试剂及仪器

2．1．1 化学试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 实验装置

2．3 预镀层制备工艺

2．3．1 试样预处理过程

2．3．2 化学镀Ni-P溶液配置

2．3．3 电镀镍溶液配置

2．4 金属陶瓷复合涂层的制备

2．5 电化学测试

2．5．1 交流阻抗谱的测量

2．5．2 循环伏安曲线的测量

2．6 差示扫描量热分析仪(DSC)

2．7 X衍射分析仪

2．8 扫描电子显微镜

2．9 热震实验及显微硬度测试

3．化学镀法制备预镀层的工艺研究

3．1 引言

3．2 化学镀镍-磷溶液的选择

3．3 配位剂醋酸钠与氯化铵对镀速的影响分析

3．4 配位剂醋酸钠与氯化铵对镀层形貌的影响

3．5 配位剂醋酸钠与氯化铵对镀层中磷含量的影响

3．6 镀液中镍离子和次亚磷酸磷酸根离子的消耗量

3．7 本章小结

4．化学沉积镍磷的电化学机理研究

4．1 引言

4．2 不同温度下的开路电位

4．3 不同温度下的循环伏安曲线

4．4 不同温度下的电化学阻抗谱分析

4．5 不同镀覆时间下的电化学阻抗谱分析

4．6 不同偏压下电沉积Ni-P的阻抗谱分析

4．7 本章小结

5．电镀法制备预镀层的研究

5．1 引言

5．2 电镀镍层的制备工艺

5．3 电沉积镍的电化学机理研究

5．3．1 十二烷基硫酸钠(SDS)对电沉积镍的影响

5．3．2 不同电位对电沉积镍的影响

5．4 本章小结

6．金属陶瓷复合涂层与预镀层的性能评价

6．1 引言

6．2 玻璃体及陶瓷粉体的差示扫描热分析

6．2．1 玻璃粉体的DSC曲线的分析

6．2．2 涂层粉末DSC曲线的分析

6．3 玻璃体粉末及烧结后涂层的X衍射分析

6．3．1 玻璃体粉末的XRD分析

6．3．2 烧结后涂层的XRD分析

6．4 高温陶瓷涂层的形貌分析

6．4．1 涂层形貌分析

6．4．2 涂层表面成分的分布分析

6．4．3 涂层截面上的成分分析

6．5 金属陶瓷涂层与预镀层的性能评价

6．5．1 纯Ni层及Ni-P层氧化性能测试

6．5．2 1000℃高温下化学镀层的SEM形貌与组织结构变化

6．5．3 不同条件下纯Ni层及Ni-P层的硬度测试

6．5．4 基体、预镀层和涂层相互之间结合力的评价

6．6 基体与预镀层、涂层与预镀层界面上各元素扩散的分析

6．6．1 基体与涂层界面的元素扩散情况分析

6．6．2 基体与预镀镍层及涂层与预镀镍层界面的元素扩散情况分析

6．6．3 预镀Ni-P层与基体及其与涂层的界面元素扩散情况分析

6．7 本章小结

7．结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要的研究成果