镍基纳米镀层的研究进展

王婷婷 耿亚恒 于欢

【摘 要】镍基纳米镀层具有更为致密的组织结构和优良的综合性能，受到广大研究者的关注。本文介绍了镍基纳米镀层的形成及镀层制备工艺，综述了镍基纳米复合镀层和镍基合金纳米镀层的研究现状，分析了镍基纳米镀层在现阶段发展中存在的问题，解决纳米颗粒复合含量以及分散等难题将推动镍基纳米镀层的进一步研究。

【关键词】镍基；纳米镀层；脉冲电沉积；性能

镍基纳米镀层一般是在镀液中添加非水溶性的纳米颗粒，将纳米颗粒与镍基进行共沉积而得到的镀层，不仅保留了两者各自的优点而且克服了各自的缺点。电沉积和化学镀是两种比较常用的镀层制备的方法，由于电沉积方法的操作简单、沉积层致密、镀层成分易控制、成本低、对环境友好等特点而广泛应用[1]。本文介绍了镀层的形成及制备工艺，综述了镍基纳米镀层的研究进展。根据对镀层的不同性能要求，选择适当的纳米颗粒进行电镀，一些研究指出，由于具有较高的硬度，良好的耐蚀、耐磨性，抗高温氧化性及清洁性等，已成为纳米复合电镀的主要技术方向，其在表面工程及再制造领域的应用也备受关注。

1、镍基纳米镀层的制备

在镀液中添加非水溶性的纳米微粒，通过复合电镀实现纳米颗粒的弥散分布，镍离子被还原成化学反应活性高的吸附态镍原子，与纳米颗粒的相互作用使吸附态镍原子嵌入金属晶格变得更加容易。镀液中添加的纳米颗粒同时成为位错和晶界运动的障碍，发挥出弥散强化、细晶强化和位错强化的强化结合效果改善镀层的综合性能，从而获得所需性能的镍基纳米镀层。

脉冲电沉积法（PC）制备的镀层晶粒更细小、均匀，成为近些年来的镀层制备工艺研究的重点，梁桂强等[2]分别用直流电沉积（DC）、PC制备Ni-SiC镀层，发现PC镀层晶粒细小，晶界紧凑，没有明显的团聚现象。当采用PC和超声波的协同作用时，基体与纳米颗粒间的传质增强，镍晶核的生长速率降低，提高形核率。夏法锋等[3]发现超声波-PC制备的Ni-TiN镀层显微组织比其他沉积方式制得的镀层更为致密、光滑，耐蚀性更好。阴极表面的金属离子消耗之后，不断交替的脉冲电流使得镀层表面的离子浓度能够及时得到恢复，有效地消除浓差极化，镀层中晶粒更加细化、晶界排列更紧凑、镀层表面平整，有利于提高质量与性能。

2、镍基纳米镀层的研究现状

目前的镍基纳米镀层是基于电化学，结合电结晶和强化理论，使一种或多种不溶性的纳米尺寸颗粒与金属粒子产生共沉积，纳米颗粒被包裹在镍基质中，依据性能要求的不同，选择适当的纳米颗粒或其组合复合电镀，主要组合见表1。

2.1 镍基纳米复合镀层

由于纳米颗粒优异的性能，研究者广泛研究了纳米颗粒与金属复合电沉积行为及其所得纳米复合镀层的性质，纳米复合电镀技术已成为表面技术的研究热点。

史芳芳等[4]用双向PC法制备出Ni-Co-SiC复合镀层，温度为50℃，频率为20Hz，逆向脉冲系数为0.3时，SiC分散均匀，结晶更细小均匀，镀层表面平整，随SiC微粒的复合引入，镀层的全浸腐蚀速率明显降低，且SiC的复合与双向PC法结合使镀层的耐蚀性得到明显提高。

将具备抗高温氧化性的纳米颗粒在表面与镍基共沉积，形成抗高温氧化性镀层，纳米微粒在镀层中有效阻碍位错运动，改善镀层应力状况。Wang等[5]研究了Ni-Y2O3在900℃的高温氧化影响，同条件下制备具有和不具有CeO2镀层的镍基底作为对比，结果表明，Y2O3/CeO2镀层导致Ni的氧化速率显着降低，前者更为明显，但基本不影响氧化机制，镀层厚度对氧化速率的影响也不显著。

2.2 镍基合金纳米镀层

镍基合金纳米镀层的研究扩大了镀层范围，但是镍基合金纳米镀层的研究相对较难，获得实际应用的只是一小部分。

2.2.1 Ni-Fe合金纳米镀层

铁镍性质相近，其镀层是研究最早最多的合金镀层。与纯镍镀层相比，Ni-Fe合金镀层具有较低的矫顽力，广泛应用于微齿轮、开关等诸多领域。黄清明等[6]用可溶性阳极电刷镀技术制备不同铁镍比例镀层，发现铁含量的增加影响镀层的晶粒取向，鐵含量大时镀层的晶胞增大，晶格畸变大，导致镀层的硬度和耐磨性增大。虽然成本低，但因Fe2+极易氧化，镀层不易控制而应用受限，如果Fe2+稳定性问题能够得到解决，镍铁合金及其纳米复合电镀技术将有广阔的应用前景。

2.2.2 Ni-Co合金纳米镀层

镍钴合金镀层优异的性能使其应用广泛，但由于溶液中杂质吸附、尖端放电等影响，镀层晶粒通常粗大，易呈现针孔、麻点等缺陷，而Ni-Co镀层则在原有基础上调整了镀层缺陷，提高了硬度、耐磨和耐腐蚀等性能。汪笑鹤等[7]采用电刷镀技术制备Ni-Co/Al2O3镀层，XRD检测表明纳米微粒的加入降低晶粒尺寸，但对镀层结构影响不大，该镀层室温下形貌良好且硬度和耐磨性能都明显优于硬铬镀层，高温下该镀层还具备与硬铬镀层相同的抗高温氧化性能。通过调整镀液成分和工艺参数，可以得到任意比例的镍钴合金纳米镀层，获得不同的性能。

3、结语

纳米复合镀层无论是晶粒大小、致密度，还是耐蚀性、抗高温性都优于普通镀层，但因为影响镀层中纳米颗粒的因素众多，镀层强化机制各异，因此仍有大量工作亟待开展：1）镀层中纳米颗粒复合含量问题，限制了镀层在特殊条件下的应用，影响了镀层性能的提高。尝试制备较宽范围复合量的纳米复合镀层，通过改变镀层纳米颗粒含量来控制镀层性能，是今后的研究重点。2）对纳米微粒的分散还未得到很好解决，需对纳米微粒的结构和性质进一步研究，也要对分散剂进行优化。此外，多粒子纳米复合镀层或具有其他特殊功能的纳米复合刷镀层必将得到更多的研究和关注。

【参考文献】

[1] 徐剑刚，余新泉.电沉积纳米晶镍的研究现状及展望[J].材料导报，2006，20（S1）：30-33.

[2] 梁桂强，崔立功，朱永永，等.制备方法对 Ni-SiC镀层摩擦学性能的影响[J].功能材料，2014， 45（15）：1511-1513.

[3] 夏法锋，田济语，许秀英.沉积方式对Ni-SiC镀层形貌和性能的影响[J].黑龙江科学， 2016，7（6）：13-15.

[4] 史芳芳，费敬银，陈居田，等.双向脉冲电沉积SiC/Ni-Co复合镀层及其耐蚀性[J]. 材料保护，2016，49（2）：42-45.

[5] Wang Y D， Li Bairu. Influence of superflicial Y2O3 coatings on high- temperature oxidation of Ni[J]. Rare Metal Metarials and Engineer- ing，2015，44（6）：1331-1334.

[6] 黄清明.Fe-Ni纳米合金镀层结构的XRD表征[J].福州大学学报：自然科学版， 2011（3）：450-454.

[7] 汪笑鹤，徐滨士，胡振峰，等.电刷镀n-Al2O3/Ni-Co镀层组织与性能的研究[J].电镀与环保，2010，30（6）：12-16.