專利名稱：一種利用電化學(xué)共沉積制備鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可加工層狀鈦硅鋁碳陶瓷領(lǐng)域，特別提供了一種利用電化學(xué)共沉積制備鎳/鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)復(fù)合涂層的方法。
背景技術(shù)：
鎳是一種非常重要的在高溫下應(yīng)用的工程材料，然而剛性低、抗氧化性和耐磨性差限制了它在諸如內(nèi)燃機(jī)及鑄造模具方面的應(yīng)用。文獻(xiàn)1-5 (Thin Solid Films 95 (1982) 133 ；Surf. Coat. Technol. 148 (2001) 171 ； J. Electrochem. Soc. 110 (1963) 557 ；Mater. Chem. Phys. 78 (2003) 574 ；Surf. Coat. Technol. 192 (2005) 331)中報(bào)道了將鎳與SiC、A1203、SiO2, ZrO2及TiO2等硬質(zhì)相顆粒復(fù)合會(huì)使鎳的力學(xué)性能如耐磨性、彎曲強(qiáng)度和硬度有明顯的提高。此外，文獻(xiàn)6-9 (Surf. Coat. Technol. 157 (2002) 282 ；Mater. Lett. 53 (2002) 238 ； Met. Finish. 65 (1967) 52 ；Mater. Des. 28 (2007) 1374)中報(bào)道了 用軟質(zhì)相顆粒如聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(ΡΕ)、Mo&或石墨等增強(qiáng)的鎳基復(fù)合涂層具有優(yōu)異的自潤滑性，可用于精密機(jī)器部件和滑動(dòng)軸承方面。鈦硅碳(Ti3SiC2)及其固溶體(Ti3SiAlC2)是新型的三元層狀陶瓷，具有低密度、高剛性，良好的可加工性、抗熱震性、高溫抗氧化性及相對低的硬度和剪切強(qiáng)度。因此，將鈦硅碳(TisiC2)與鎳復(fù)合有望提高金屬鎳的耐磨性、自潤滑性、高溫抗氧化及耐腐蝕性。此外， 鈦硅碳(Ti3SiC2)的熱膨脹系數(shù)與鎳很匹配會(huì)使得鎳基復(fù)合物的內(nèi)應(yīng)力小，從而可以更加拓展其在高溫方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的目的在于提供一種利用電化學(xué)共沉積制備鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層的方法，避免鎳基體與鈦硅鋁碳之間發(fā)生相互擴(kuò)散或反應(yīng)等問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種利用電化學(xué)共沉積制備鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層的方法，該方法在含有硫酸鎳 (NiSO4 ·6Η20)、氯化鎳(NiCl2 ·6Η20)和硼酸(H3BO3)的鍍鎳液中，添加鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2) 粉末使之在鍍液中充分懸浮，在較低溫度(50-60°C )及較短時(shí)間內(nèi)電化學(xué)共沉積制備得到固體顆粒分散均勻、致密度好的鎳基鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)復(fù)合涂層，具體如下1)原料組成及成分范圍以硫酸鎳(NiSO4 ·6H20)、氯化鎳(NiCl2 ·6H20)和硼酸(H3BO3)配置鍍鎳液；其中， 硫酸鎳(NiSO4 · 6H20)的濃度為240-300g/L，氯化鎳(NiCl2 · 6H20)的濃度為45_75g/L，硼酸(H3BO3)的濃度為37-53g/L，其余為水；添加鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)粉末使之在鍍液中充分懸浮，懸浮液中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的固相含量為2-60g/L。幻制備工藝用氫氧化鈉調(diào)節(jié)鍍液pH值范圍為3. 5-5. 0，電沉積時(shí)鍍液溫度為49-61°C，電流密度為20-80mA/cm2，沉積時(shí)間為15-60min，攪拌速率為200_600rpm，在鎳離子陰極還原的同
時(shí)，將固體顆粒吸附或包覆與金屬共沉積制備復(fù)合涂層，獲得鈦硅鋁碳顆粒分散均勻、致密的鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層厚度為2-10 μ m。本發(fā)明中，鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)粉末的平均粒度為4-5 μ m。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、工藝簡單、成本低、環(huán)境友好。電化學(xué)共沉積在較低溫度(< 100°C )下即可進(jìn)行，復(fù)合涂層中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的百分含量可以根據(jù)鍍液中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的濃度、電流密度、沉積時(shí)間等進(jìn)行控制；2、復(fù)合涂層的性能優(yōu)異。采用電化學(xué)共沉積制備的鎳基鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)復(fù)合涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高、致密度高、增強(qiáng)相顆粒的分散性好。


圖1電化學(xué)共沉積制備鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層的裝置示意圖。圖2電化學(xué)共沉積制備鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層的表面形貌。圖3電化學(xué)沉積制備的純鎳涂層與鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層的X射線衍射譜。圖4電化學(xué)沉積制備的純鎳涂層與鍍液中含有不同濃度的鈦硅鋁碳鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層的X射線衍射譜。圖5電化學(xué)共沉積制備鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層的表面形貌。其中，(a)圖為由含有5g/L鈦硅鋁碳粉末的鍍液電化學(xué)沉積制備得到的鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層表面形貌；(b) 圖為由含有25g/L鈦硅鋁碳粉末的鍍液電化學(xué)沉積制備得到的鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層表面形貌。圖6電化學(xué)共沉積制備的鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的百分含量隨鍍液中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)濃度變化的關(guān)系曲線。圖7電化學(xué)共沉積制備鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層的表面形貌。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1如圖1所示，電化學(xué)沉積裝置的結(jié)構(gòu)如下將工作電極1 (不銹鋼)和對電極2 (純鎳)浸入含有鈦硅鋁碳粉末的鍍鎳溶液3中，通過電源4施加電流。用溫度計(jì)5監(jiān)控鍍液的溫度，用磁力攪拌器控制對鍍液的攪拌速度，盛放鍍鎳溶液3的容器設(shè)置于水浴鍋6中。以硫酸鎳(NiSO4 ·6H20)、氯化鎳(NiCl2 ·6H20)和硼酸(H3BO3)配置鍍鎳液；其中， 硫酸鎳(NiSO4 ·6Η20)的濃度為250g/L，氯化鎳(NiCl2 ·6Η20)的濃度為45g/L，硼酸(H3BO3) 的濃度為40g/L，其余為水；將平均粒度為4.4μπι的鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)均勻分散在鍍液中充分懸浮，懸浮液中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的濃度為50g/L，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)鍍液ρΗ為 3. 8，電化學(xué)沉積的裝置如圖1所示。鍍液在溫度為60士 1°C及不斷攪拌狀態(tài)下，以攪拌速率為200rpm、電流密度為 50mA/cm2進(jìn)行恒電流電化學(xué)沉積，沉積時(shí)間為30min，由掃描電鏡照片可以觀察到此條件下制備得到的鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層中鈦硅鋁碳顆粒分散均勻、致密，鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層厚度為2-10 μ m，如圖2所示。
如圖3所示，經(jīng)X射線衍射分析復(fù)合涂層中存在鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的衍射峰， 且鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的存在影響了鎳的擇優(yōu)取向。實(shí)施例2以硫酸鎳(NiSO4 ·6Η20)、氯化鎳(NiCl2 ·6Η20)和硼酸(H3BO3)配置鍍鎳液；其中硫酸鎳(NiSO4 ·6Η20)的濃度為260g/L，氯化鎳(NiCl2 ·6Η20)的濃度為60g/L，硼酸(H3BO3)的濃度為50g/L，其余為水；將平均粒度為4μπι的鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)均勻分散在鍍液中充分懸浮，懸浮液中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的濃度為5、15、25、5(^/1，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)鍍液？!1 為4. 0，電化學(xué)沉積的裝置如圖1所示，鍍液在溫度為55 土 1°C及不斷攪拌狀態(tài)下，以攪拌速率為400rpm、電流密度為20mA/cm2進(jìn)行恒電流電化學(xué)沉積，沉積時(shí)間為30min，得到鈦硅鋁碳顆粒分散均勻、致密的鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層，鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層厚度為2-10 μ m。如圖4所示，a、b、c、d和e分別表示純鎳涂層、鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的濃度為5、 15、25、50g/L下制備的鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層，經(jīng)X射線衍射分析復(fù)合涂層中存在鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的衍射峰，且隨著鍍液中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)濃度的增加復(fù)合涂層中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的衍射峰逐漸增強(qiáng)；如圖5所示，鍍液中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的濃度分別為5g/L和25g/L制備得到的鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層表面形貌，隨著鍍液中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)濃度的增加，復(fù)合涂層中鈦硅鋁碳的含量也隨著增加。即可以通過控制鍍液中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)濃度的方法來控制復(fù)合涂層中鈦硅鋁碳的含量。如圖6所示，復(fù)合涂層中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的百分含量隨鍍液中鈦硅鋁碳 (Ti3SiAlC2)濃度變化的關(guān)系曲線，隨著鍍液中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)濃度的增加，復(fù)合涂層中鈦硅鋁碳的含量也隨著增加至達(dá)到一個(gè)飽和的趨勢。實(shí)施例3以硫酸鎳(NiSO4 ·6H20)、氯化鎳(NiCl2 ·6H20)和硼酸(H3BO3)配置鍍鎳液；其中， 硫酸鎳(NiSO4 ·6Η20)的濃度為250g/L，氯化鎳(NiCl2 ·6Η20)的濃度為45g/L，硼酸(H3BO3) 的濃度為40g/L，其余為水；將平均粒度為4μπι的鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)均勻分散在鍍液中充分懸浮，懸浮液中鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)的濃度為5(^/1，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)鍍液？!1為4.5， 電化學(xué)沉積的裝置如圖1所示。鍍液在溫度為50 土 1°C及不斷攪拌狀態(tài)下，以攪拌速率為500rpm、電流密度為 55mA/cm2進(jìn)行恒電流電化學(xué)沉積，沉積時(shí)間為15min，得到鈦硅鋁碳顆粒分散均勻、致密的鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層，鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層厚度為2-10 μ m，如圖7所示。關(guān)于制備鎳基復(fù)合材料的方法有很多，與高溫?zé)嵋被蚍勰┮苯鹣啾?，電化學(xué)共沉積具有沉積速率快、操作溫度低(< 100°C )、固體顆粒在復(fù)合涂層中分散均勻等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可以在較低溫度(< 100°C )及較短時(shí)間內(nèi)電化學(xué)共沉積制備得到固體顆粒分散均勻、致密度好的鎳基鈦硅鋁碳(Ti3SiAlC2)復(fù)合涂層。采用這種方法制備鎳/鈦硅鋁碳 (Ti3SiAlC2)復(fù)合涂層可以避免鎳基體與鈦硅鋁碳之間發(fā)生相互擴(kuò)散或反應(yīng)。
權(quán)利要求
1. 一種利用電化學(xué)共沉積制備鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層的方法，該方法的特征在于1)原料組成及成分范圍以硫酸鎳、氯化鎳和硼酸配置鍍鎳液；其中，硫酸鎳的濃度為240-300g/L，氯化鎳的濃度為45-75g/L，硼酸的濃度為37-53g/L，其余為水；添加鈦硅鋁碳粉末使之在鍍液中充分懸浮，懸浮液中鈦硅鋁碳的固相含量為2-60g/L ；2)制備工藝PH值范圍為3. 5-5. 0，溫度為49-61°C，電沉積時(shí)電流密度為20-80mA/cm2，沉積時(shí)間為 15-60min，攪拌速率為 200_600rpm。
全文摘要
本發(fā)明涉及可加工層狀鈦硅鋁碳陶瓷領(lǐng)域，特別提供了一種利用電化學(xué)共沉積制備鎳/鈦硅鋁碳復(fù)合涂層的方法，避免鎳基體與鈦硅鋁碳之間發(fā)生相互擴(kuò)散或反應(yīng)等問題。在含有硫酸鎳、氯化鎳和硼酸的鍍鎳液中，添加鈦硅鋁碳粉末使之在鍍液中充分懸浮，在鎳離子陰極還原的同時(shí)，將固體顆粒吸附或包覆與金屬共沉積制備復(fù)合涂層。鍍液中硫酸鎳的濃度為240-300g/L，氯化鎳的濃度為45-75g/L，硼酸的濃度為37-53g/L，鈦硅鋁碳的固相含量為2-60g/L，pH值范圍為3.5-5.0，溫度為49-61℃，電沉積時(shí)鍍液處于攪拌狀態(tài)，攪拌速率為200-600rpm，電流密度為20-80mA/cm2，沉積時(shí)間為15-60min。本發(fā)明可以在較低溫度(＜100℃)及較短時(shí)間內(nèi)電化學(xué)共沉積制備得到固體顆粒分散均勻、致密度好的鎳基鈦硅鋁碳復(fù)合涂層。
文檔編號C25D3/56GK102345144SQ20101024091
公開日2012年2月8日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者周延春, 梁瑩 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所