亚微米Ni—Cr—Al复合镀层的制备及结构表征

杨秀英

摘 要 采用复合电沉积技术，通过向电镀液中加入一定量亚微米级别Cr、Al颗粒制备了亚微米Ni-Cr-Al复合镀层。表征了镀层的结构，研究了镀层的高温氧化行为，结构分析表明，该镀层结构比较致密，氧化实验表明该镀层具有抗氧化性。

关键词 亚微米 Ni-Cr-Al复合镀层 结构表征

中图分类号：TQ153 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.08.016

Abstract The submicron Ni-Cr-Al composite coatings were prepared by adding a certain amount of sub micron and Al particles into the electroplating solution by adding a certain amount of sub micron grade Cr. The structure of the coating was characterized. The high temperature oxidation behavior of the coating was studied. The structure analysis showed that the coating was compact.

Key words sub micron； Ni-Cr-Al composite coating； structural characterization

0 引言

随着航空航天工业的飞速发展，对材料的抗高温氧化性能要求越来越高，已成为新技术发展的障碍。高温环境下服役合金的氧化腐蚀问题一直是高温领域的研究主题，对高温合金表面施加能热生长Cr2O3和/或Al2O3型氧化膜型高温防护涂层是有效途径之一。第一代高温防护涂层是扩散渗Cr或渗Al涂层。这类涂层热稳定性和抗热腐蚀性不理想。因而其应用受到限制。第二代高温防护涂层即MCrAlY（M=Ni，Co）型包覆涂层由于兼顾上述两种防护能力，因而在国防及航空航天领域获得广泛应用。目前，制备MCrAlY包覆涂层的技术主要有：等离子喷涂（APS，LPPS）、高速火焰噴涂（HVOF）和物理气相沉积（PVD）等。上世纪80年代Honey等人提出采用电化学沉积技术制备抗高温氧化Ni基复合镀层，但是迄今一直没有其相关复合镀层氧化性能的详细报道。上世纪90年代，中国科学院金属研究所的耿学洪等尝试用复合电沉积的方法制备NiCrAl复合涂层，但是氧化性能极差。近年来，研究Ni-Cr-Al纳米复合涂层的氧化性能过程中发现，Cr或Al对镀层的氧化具有明显的尺寸效应。对于Ni-Cr纳米复合镀层，随着Cr 颗粒尺寸降低为24 nm时，Cr 元素的复合量增加到7.5wt% 时便可在氧化过程中形成一连续的保护性氧化膜。在Ni-Al 纳米复合镀层抗高温氧化性能的研究中也曾发现类似现象。在Ni-Cr-Al纳米复合镀层的抗高温氧化研究中，同样发现Cr或Al的颗粒尺寸对氧化性能的重要影响。但是，纳米粉末材料的制备存在成本昂贵，制造困难，纳米粉活性非常大，不稳定，运输和使用很不方便等问题。以上几个方面限制了该涂层的工程应用。因此，本研究拟制备一种介于纳米与微米之间的亚微米复合镀层。

1 实验方法

在制备NiCrAl复合镀层时采用纯度为99.96%电解镍板。镍板经线切割制成15？0？mm的试片，并在每个试片一端钻一个直径为2mm的小孔，用于复合镀时悬挂试样。试样在预磨机上分别经150#、400#、600#SiC砂纸打磨，并将试样倒角，倒边，以防止复合电镀过程中产生尖端放电效应。试样使用前需用800#砂纸打磨试样表面，去掉表面钝化层，然后放入丙酮中用KQ-50B型超声波清洗器进行表面除油污处理，备用。实验所采用的Cr、Al粉是将购买的微米级颗粒不断研磨后成亚微米级颗粒，粒度在1-5微米之间。本实验选用一种弱酸型低温镀Ni液，成分为：150 g/L NiSO4·7H2O、15 g/L NH4Cl、15 g/L H3BO3、0.1 g/L C12H25NaSO4。实验所用的电流密度为2 A/dm2，温度为30℃。复合电沉积时，Cr、Al颗粒直接加入到镀液中，为了使它们均匀悬浮在镀液中，采用板泵式复合电镀装置，如图1所示。采用（Rigaku）D/max-2500pc型X射线衍射仪、Philips XL30型扫描电镜、TECNAI-20型分析透射电镜（TEM）对复合镀层的结构进行综合分析。

2 实验结果

为研磨后Cr、Al颗粒的透射SEM形貌像。可见，纳米Cr、Al颗粒主要呈球形（部分Cr颗粒呈方形），平均粒度分别为3 m。

分别为NiCrAl镀层的低倍（a）（b）和高倍（c）（d）表面及对应的截面形貌。通过表面形貌可见镀层表面平整，表面放大形貌可见Cr、Al颗粒颗粒镶嵌在基体中；截面形貌看出镀层和基体结合良好，镀层厚度大约60 m，放大形貌进一步说明了Cr、Al颗粒在集体中均匀分布。

为 Ni-Cr-Al亚微米复合镀层的表面XRD分析结果，可见镀层除了Ni基体外还含有Cr、Al元素，该结果同前面的扫描电镜结果结合起来充分说明，制备了一种亚微米Ni-Cr-Al复合镀层。

3 结论

（1）通过实验制备出一种亚微米Ni-Cr-Al复合镀层；（2）SEM及XRD分析镀层结构表征表明，该镀层由镍基体及镶嵌其中的均匀分布的Cr、Al颗粒组成。

参考文献

[1] C.Cheung，U.Erb， G.Palumbo. Application of grain boundary engineering concepts to alleviate intergranular cracking in Alloys 600 and 690. Materials Science and Engineering A.1994.185：39-43.

[2] 耿学洪.复合电镀NiCrAlY涂层及其高温氧化行为的研究.中国科学院金属腐蚀与防护研究所，1992.

[3] 张艳.Ni-Cr纳米复合镀层的制备及其性能研究.中国科学院金研究所，2005.