阴极等离子电解沉积金属、合金及复合涂层的研究

发布时间：2019-08-24 08:23

【摘要】：阴极等离子电解沉积是指在电解过程中阴极表面发生气膜微弧放电的特殊电解过程,是一种新型的用于材料表面改性以及涂层制备的先进技术。但是,目前该技术的发展主要受到两方面问题的制约：一是由于沉积过程中气膜微弧放电不均匀,导致难以获得均匀、致密的金属涂层；二是由于电解过程中阴极电流密度较大,导致难以进行大面积的涂层沉积。针对以上问题,本课题以阴极等离子电解沉积技术为主线,从基础问题研究,新型金属、合金及复合涂层的制备及其结构与性能的研究等方面开展了以下工作：(1)研究了阴极等离子电解沉积金属涂层的基础问题。首先,研究了沉积涂层的基本规律。研究发现,与常规电沉积相比,在阴极等离子电解沉积金属涂层时,由于高电流密度下阴极表面大量氢气泡和等离子电弧的形成,使得离子传质过程严重受阻,采用常规的电解液成分沉积物均为粗糙多孔的涂层,乃至枝晶、粉末。通过降低电解液主盐浓度和提高酸浓度可以有效地降低电流效率和沉积速率,促进等离子电弧对沉积物的充分作用,从而获得均匀、致密的纳米涂层。其次,研究了沉积涂层的动力学过程。通过对阴极等离子电解沉积过程中的“电流密度-电压”关系的研究发现,等离子体放电发生的两个基本条件为阴极表面连续气膜的形成和电压达到临界值。在阴极区域施加玻璃微珠可以促进气膜的形成,有效地降低电流密度,有利于阴极等离子电解沉积的进行。同时,微珠的机械研磨作用也促进了纳米涂层的表面均匀性。最终,基于对以上规律和机理的研究,我们提出了3D滴液式和机械研磨式阴极等离子电解沉积装置,为大面积沉积金属、合金及复合涂层的开展提供了途径。(2)研究了阴极等离子电解沉积新型金属涂层的方法及其结构和性能。基于对阴极等离子电解沉积的机理和规律的研究,制备了新型Co涂层及三价Cr金属涂层。通过对Co涂层的研究发现,沉积电压控制在起弧电压以上10-20V为宜,过低的电压会使得等离子电弧作用不够充分,沉积物未能完全熔融再结晶,而过高的电压则会导致产生的等离子电弧太过剧烈,严重时甚至烧蚀基体。通过对三价Cr涂层的研究发现,涂层无任何微裂纹,且厚度可达30微米。两种涂层均为纳米晶结构,与基体冶金结合,具有较高的硬度、优异的耐腐蚀性能及耐磨损性能等。(3)研究了阴极等离子电解沉积新型合金及复合涂层的方法及其结构和性能。基于对阴极等离子电解沉积金属涂层的研究,通过调整电解液组成,制备了不同Cr含量的新型M-Cr合金及M-Cr-纳米稀土氧化物复合涂层。涂层中元素分布均匀,未出现团簇现象。以此为基础,在锅炉用钢T91上,制备了Ni-20wt.%Cr、Ni-20wt.%Cr-Y2O3涂层。涂层为纳米晶结构,能在短时间内形成均匀、致密的外氧化物薄膜,从而延长了锅炉用钢的使用寿命,增强了其抗高温氧化的能力。同时,在Cu、Al导线上,也通过沉积Ni-Al2O3、 Ni-SiO2复合涂层对其进行保护,并通过机械研磨装置实现了涂层的大面积沉积。作为一种绿色环保的工程技术,阴极等离子电解沉积将在未来有更广阔的应用前景。
【图文】：

热等离子体,冷等离子体,等离子体,带电粒子

根据组成等离子体带电粒子温度的相对高低，等离子体可分为体和低温等离子体两类。其中带电粒子能量为１－ｌＯｅＶ的称为低温，带电粒子能量为化ＭＯｋｅＶＯｅＶ相当于１１６００Ｋ）的称为高温等据热力学状态的不同Ｕ及粒子温度的相对高低，低温等离子体衡等离子体或称热等离子体和非热平衡等离子体或称冷等离子体。如分子、离子和原子等其他粒子的湿度接近或等于电子的温度时，离子体：热等离子体的特点是它的能量密度非常之高，重粒子温度相近，通常可达到１００００？２００００１Ｃ，各种粒子的反应活性都极体的产生方法主要有高强度直流电弧放电、高频（几兆赫至几十z1合放电、交流电弧放电Ｗ及微波放电等。当分子、离子和原子粒子温度低于电子温度时，则称为冷等离子体。冷等离子体的特点量密度较低，远远低于热等离子体，，电子温度很氋而重粒子温温，整个系统的宏观温度并不高，其电子与离子有很高的反应活、。逡逑

示意图,等离子,示意图,焦耳热

例如：辉光放电、电晕放电、电火花放电、弧光等离子体放电。逡逑临界电压是放电过程中最重要的参数，它可由与等离子电解条件相对逡逑应的电流－电压曲线图２－５所描述的Ｕｉ确定。Ｕｉ可Ｗ通过气膜击穿的临界电逡逑场强度确定。根据碰挂电离理论Ｗ，临界电场强度由公式（１－２）给出，逡逑Ｅｃ邋＝邋ｂｐ＼ｎ￣＾。逡逑ａｐ逡逑Ｕ２－Ｕ３段可Ｗ通过由气泡转化为连续沸腾膜的临界焦耳热密度值化确定；逡逑＝邋（0，逦（２－４）逡逑式中：７－电流密度；Ｗｅ－临界焦耳热密度值。逡逑假设电解质水溶液的（0￡值与水沸腾过程的临界热流密度接近（约为逡逑８ｘｌ0５Ｗ／ｍ２），且ｙ值约为４－ｌＯｋＡ／ｍ２，这样容易估算出Ｕ（２－３）的值在８０Ｖ到２００Ｖ逡逑之间。逡逑击穿电压Ｕｓ可Ｗ由ＧＯｎｔｅｒｓｃｈｕｌｚｅ和Ａ化州ａ［ｉ２ｌ提出的，并由实验证实了逡逑的等式进行计算；逡逑（２－５）逡逑５邋ａ邋幻；；Ｃ＂逡逑－１４－逡逑
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4

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