柔性摩擦辅助电沉积纳米晶镍镀层制备表征及再制造应用

发布时间：2018-04-06 04:17

本文选题：柔性摩擦　切入点：电沉积　出处：《东北大学》2015年博士论文

【摘要】：传统电沉积技术以其低成本和工艺易控等经济技术优势在功能性镀层制备等方面得到了广泛的应用。然而,受极限电流密度限制以及水溶液中阴极析氢、杂质吸附、尖端放电等因素影响,镀层沉积速度较慢,结晶通常较为粗大,且容易出现针孔、麻点和结瘤等缺陷,因而其生产效率、质量和性能不高。为了适应现代工业发展对电沉积产品效率、质量和性能等要求,本文提出了一种具有普遍意义的柔性摩擦辅助电沉积技术,即在金属的电沉积过程中,通过一定强度和韧性的柔性介质周期性摩擦阴极表面。采用该技术在不含添加剂的Watts镀液中开展了电沉积纳米晶镍镀层的制备工艺、形成机制、柔性摩擦作用机制以及镀层性能研究工作。基于此技术、工艺和原理,构建了自动化柔性摩擦辅助电沉积系统,并探索了其在再制造产业化中的应用。开发出柔性摩擦辅助电沉积试验装置和技术,并优化了电沉积纳米晶镍镀层的制备工艺。在12 m/min的相对运动速度和50℃的温度下,采用30%阴极覆盖度的生物鬃摩擦介质,制备了平整致密的纳米晶镍镀层。该纳米晶镍镀层具有(111)择优取向,平均晶粒尺寸在20～30 nm之间,表面粗糙度在0.05μm左右,硬度在470～500 HV之间。无摩擦电沉积镍镀层的初期生长机制为V-W模式,存在外延细晶生长；形成过程以柱状粗晶方式生长为主。柔性摩擦辅助电沉积镍镀层的初期生长机制为F-M模式,很少观察到外延生长；形成过程以层状纳米细晶方式生长为主。柔性摩擦行为改善了电沉积镍镀层的组织结构。柔性摩擦通过提高晶体形核率,增加吸附原子总数、抑制吸附原子扩散和打破吸附原子聚集生长作用将晶粒尺寸细化到纳米尺度；通过弛豫结晶原子间的高界面张力和降低高界面能,增加了纳米孪晶密度；通过周期性抑制尖端放电和扰动低凹部位生长,实现了柱状晶向层状晶结构的转变。此外,柔性摩擦通过压缩扩散层厚度,驱除阴极表面吸附杂质、氢气泡、氧化膜以及促进金属离子在“谷”处放电生长等作用,实现了允用电流密度提高、驱氢除杂、活化电极表面和整平镀层。前处理工序中的柔性摩擦活化了基体表面,强化了镍镀层与基体界面间的化学键合和机械嵌合。与无摩擦电沉积镍镀层的柱状晶相比,柔性摩擦辅助电沉积镍镀层的层状结构延长了腐蚀介质的扩展路径,使得腐蚀过程逐层进行,增加了其耐蚀性。纳米晶镍镀层具有更高的硬度、弹性模量和硬模比,提升了其耐磨性。镀态和退火态形成的纳米孪晶结构,降低了晶粒生长的驱动力,改善了其热稳定性；镀层硬度高于粗晶镍和Hall-Petch关系预测,其强化机理为细晶强化和孪晶强化。在上述技术、工艺和理论认识的基础上,结合具体轴类件,研发出卧式自动化柔性摩擦辅助电沉积系统。该系统解决了镀笔清洗、镀液循环利用、处理液的自动分液和回收等难题。通过程序控制界面输入待修复工件尺寸和电沉积工艺参数,可实现电沉积全程自动化。应用自动化柔性摩擦辅助电沉积系统成功再制造了腐蚀／磨损失效的行星轮架,工艺过程可控,所获镀层质量完整可靠。该系统在轴类件再制造中具有重大应用和推广价值。
[Abstract]:In order to meet the requirements of high efficiency , quality and performance of electro - deposition nanocrystalline Ni coating in the process of electrodepositing metal , this paper presents a kind of flexible friction auxiliary electrodeposition system , which is characterized by high efficiency , quality and performance .
The initial growth mechanism of the flexible friction - assisted electrodeposition nickel coating is F - M mode , and the epitaxial growth is rarely observed .
The formation process is mainly grown in the form of layered nano - fine crystal . The flexible friction behavior improves the microstructure of electrodeposited nickel coating . The flexible friction improves the crystal nucleation rate , increases the total number of adsorbed atoms , inhibits the diffusion of adsorbed atoms and breaks the aggregation and growth of the adsorbed atoms , and the grain size is thinned to the nano - scale ;
By relaxing the high interfacial tension between the crystal atoms and reducing the high interfacial energy , the nano - twin density is increased ;
The invention realizes the transformation of the columnar crystal to the lamellar crystal structure by periodically inhibiting the growth of the tip discharge and the disturbance low - concave part .
A horizontal automatic flexible friction auxiliary electrodeposition system is developed based on the technical , technological and theoretical knowledge .

【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ153

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