基于等离子电解碳氮共渗的水滑石复合渗层制备及耐蚀性能研究

为了提高钢铁材料在经过等离子电解渗后的耐腐蚀性,以退火后的20钢为试验对象,以等离子电解碳氮共渗过程中形成的微纳孔洞为容器,并负载镁铁水滑石(Mg-Fe-LDHs)作为缓蚀剂,着重探讨了Mg-Fe-LDHs对20钢腐蚀性能的影响。首先,以甲酰胺为碳氮源、KCl为导电盐,与去离子水混合形成电解液;然后在220 V直流脉冲电压下处理9 min获得碳氮共渗层(简称PEC/N试样);随后,将PEC/N试样放入由尿素溶液、MgSO_(4)溶液与Na_(2)CO_(3)溶液构成的Mg-Fe-LDHs前驱体溶液中,在140℃恒温环境下水热晶化10 h获得复合渗层(简称PEC/N-LDHs试样)。随后通过显微硬度计、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电化学测试分析了复合渗层的不同性能表现。结果表明:复合渗层的显微硬度达到900 HV左右,较基体提高了4.6倍。PEC/N试样渗层约20μm厚,截面光滑、平整,表面崎岖不平、呈多孔蜂窝状;经水热合成LDHs后,表面变得平整,无明显蜂窝状结构,试样表面出现大量片状结晶物。PEC/N试样的XRD谱中出现了Fe_(3)C、Fe_(5)C_(2)、α-Fe、Fe_(3)N物质的吸收峰;在原位负载Mg-Fe-LDHs后,PEC/N-LDHs试样的XRD谱中出现了Mg-Fe-LDHs晶体(003)、(006)与(009)晶面的吸收峰;结合SEM形貌特征可知,Mg-Fe-LDHs被成功负载,呈片状结构。相比20钢,PEC/N试样渗层的腐蚀电位(E_(corr))与腐蚀电流密度(J_(corr))均有所提高,分别达到-0.451 V与75.22μA/cm^(2),但其低频阻抗模值(|Z|_(0.01 Hz))并未显著增大,仅达到998.5Ω·cm^(2);负载Mg-Fe-LDHs后,PEC/N-LDHs试样的E_(corr)、J_(corr)、|Z|_(0.01 Hz)分别达到-0.355 V、39.11μA/cm^(2)、6586.0Ω·cm^(2),较20钢及PEC/N试样均有较大幅度改善。以上结果表明,采用等离子电解浸渗处理20钢,可以获得高硬度的碳氮共渗层;通过水热法负载LDHs后,可进一步提高复合渗层的耐蚀性,且不影响PEC/N渗层的硬度,所获得的PEC/N-LDHs复合渗层同时具有高硬度与较好的耐蚀性。

阴极等离子电解沉积技术简介及其研究进展

阴极等离子电解沉积是一种将传统电解和等离子体相结合的表面处理与材料制备技术,与传统的表面处理技术相比,该技术在能量消耗、制备速率、沉积层表面致密度、与基体结合力等方面均有大幅度改善,因此备受关注。概述了阴极等离子电解沉积的基本机理,包括电压-电流的演变过程、气体鞘层的形成过程、等离子体的演变规律和金属离子的沉积现象等,在此基础上讲解了阴极等离子电解沉积的技术优势。针对阴极等离子电解沉积过程中复杂的影响因素,分析并探讨了电压、占空比、时间等电参数以及酸含量、添加剂、电解液浓度等溶液参数对阴极等离子电解沉积的影响规律。在此基础上,重点综述了近年来阴极等离子电解沉积在多个领域的研究进展,包括先进陶瓷涂层、金属涂层以及复合涂层的制备,纳米电催化剂、纳米微球、中空微球和石墨烯等功能材料的合成以及渗碳、渗氮等领域的应用等。最后总结并展望了阴极等离子电解沉积在涂层领域的发展方向以及催化剂、石墨烯等其他新型领域的研究前景。

活塞环表面等离子电解沉积陶瓷涂层的试验研究

为提升活塞环性能,采用液相等离子体电解沉积陶瓷涂层的技术方案,进行了活塞环表面强化的试验研究。分析了工作电压、处理时间和基体表面粗糙度对涂层结合力的影响规律,表征了PED陶瓷涂层的形貌和相组成。在此基础上,对比分析研究了PED陶瓷活塞环的硬度、摩擦学性能、耐腐蚀性能。研究结果表明:PED陶瓷涂层表面呈蜂窝状形貌,涂层的相由γ-Al_(2)O_(3)相和α-Al_(2)O_(3)相构成,且以α-Al_(2)O_(3)相为主晶相;PED陶瓷涂层与基体的结合力随工作电压的提高及处理时间的延长,均呈先增大后减小的趋势,随基体表面粗糙度的增大而增加。经PED处理后,试样的表面硬度可达1 185HV,其摩擦系数和磨损率分别降低了6.4%、29.4%;极化电阻提升至1.75×10^(4)Ω·cm^(2),较未处理活塞环提高一个数量级以上。

阴极等离子电解大面积沉积弥散Pt微粒增韧8YSZ热障涂层

采用大气等离子喷涂(APS)在高温合金表面制备一层Ni Co Cr Al Y粘结层,然后采用阴极等离子电解沉积(CPED)制备一层弥散Pt微粒的8YSZ涂层。通过在电解液中加入陶瓷微珠,促使阴极表面发生均匀的等离子微弧放电,实现了在大面积样品上沉积8YSZ涂层。获得的涂层厚度到达120μm,具有多孔结构,由立方相和四方相8YSZ以及Pt组成。1100℃空气中循环氧化的结果表明,随着涂层中Pt含量的的增加,涂层的抗高温氧化和抗剥落性能得到明显提高。Pt微粒对8YSZ涂层的增韧作用主要为:Pt微粒塑性变形吸收裂纹扩展的能量,钝化裂纹尖端,减小裂纹尺寸,提高涂层的临界断裂应力。

2A97铝锂合金等离子电解氧化膜的制备和耐蚀性能

研究2A97铝锂合金在硅酸盐电解液中等离子电解氧化膜的生长规律,分析直流条件下电流密度、氧化时间等电参数对氧化陶瓷膜的表面和截面形貌、成分和相组成以及耐蚀性的影响。结果表明:等离子电解氧化处理提高了铝锂合金的耐腐蚀性能,但处理时间过长,膜层微观结构中缺陷增多,对膜层的耐蚀性带来不利影响,提高电流密度对膜层的耐蚀性也没有明显的影响。铝锂合金的等离子电解氧化膜微观结构中存在两类不同放电类型导致的特征结构,其中来源于基体/膜层界面的火花放电生成的结构含有较多的Al,而氧化膜表层或浅层的火花放电主要在膜层表面生成含有较多电解液成分的菜花状结构。膜层的相结构主要为γ-Al2O3。

电解液成分对TA1纯钛等离子电解氧化陶瓷膜生长与组织的影响

钛合金长期植入体内依然存在磨损和腐蚀的问题,因此钛合金表面改性的目的就是提高其表面耐蚀性、耐磨性并赋予生物活性。本文在3种不同的电解液中,采用等离子电解氧化技术在TA1纯钛表面制备含有Ca、P的氧化钛多孔复合陶瓷层。研究了不同电解液中,改变工艺参数对纯钛表面陶瓷层平均厚度和生长机制的影响。采用扫描电镜和能谱分析了电流密度改变时,3种不同电解液中生成复合陶瓷膜的表截面形貌以及成分。结果表明,相同的电流密度,在电解液B中,陶瓷膜初始击穿电位最大,电解液C中陶瓷膜初始击穿电位值最小。正向电流为16 A/dm2时,在电解液A中陶瓷膜表面出现粉末状团聚物,在电解液B和C中,没有粉末状团聚物出现。无论是工艺参数还是电解液成分,对纯钛生物陶瓷膜的生长过程与组织结构都产生很大的影响,适当控制可制备所需的功能陶瓷膜。

NaF添加剂对铝合金等离子电解氧化陶瓷膜形成的影响

研究了Na2SiO3 KOH电解溶液中添加NaF对铝合金等离子电解氧化陶瓷膜形成的影响。研究表明:电解溶液中加入NaF可加速氧化物陶瓷膜的形成,提高其硬度。NaF的最佳加入量为0 5～0 75g/L。

阴极等离子电解制备抗氧化涂层

目的通过对阴极等离子电解放电机制进行讨论,提出大面积沉积复杂形状试样的解决办法。方法在电解液中添加表面活性剂和氯铂酸制备Pt颗粒弥散的复合涂层,通过测试电流密度-电压曲线,分析气膜放电机制,通过扫描电子显微镜对涂层的表面、截面形貌进行分析表征。结果在电解液中添加表面活性剂或者在阴极区施加微珠,使气膜层更均匀,同时降低了沉积涂层的电流密度。随着Pt含量的增加,涂层孔隙率逐渐降低。涂层中弥散的Pt颗粒起到了弥散增韧的作用,提高了涂层的断裂韧性和抗剥落性能。结论实现了在大面积复杂形状试样上制备陶瓷涂层,并通过在涂层中弥散Pt颗粒提高了涂层的致密性。

铝表面制备装饰膜的等离子电解氧化方法

对铝表面制备装饰膜的等离子电解氧化方法进行了研究。结果表明:以铝酸钠、柠檬酸三铵、氟化钠组成的电解液,加入或不加入添加剂,通过等离子电解氧化处理,在铝表面可获得不同颜色的陶瓷膜。该溶液成分简单、稳定性好。其工作电流密度为7A/dm2,处理时间10min。

液相等离子电解渗碳氮在高速钢铣刀后处理上的应用

用甲酰胺-乙醇胺电解液体系、液相等离子电解碳氮共渗工艺对刃磨后的高速钢铣刀进行再处理,制成金相试样测定渗层厚度和硬度,并进行实切性实验。实验结果表明,经液相等离子电解碳氮共渗处理后的高速钢刀具的耐用度比未处理高速钢刀具提高3倍以上。

添加PVP对阴极等离子电解沉积Al_2O_3涂层的影响

采用阴极等离子电解沉积(CPED)在镍基高温合金上制备了一层Al_2O_3涂层。通过测试对比阴极表面在3个不同方向下的电压-电流密度曲线来分析CPED动力学过程。结果表明:在电解液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)后,临界起弧电流密度急剧下降,而且阴极表面的朝向对CPED过程的影响也相应的减弱。划痕实验结果表明,随着PVP添加量的增加,涂层的结合力得到明显的提高。通过添加PVP,等离子放电过程可以随机地、均匀地发生在各个阴极表面,因此可以在大面积复杂形状的阴极表面上沉积出均匀的Al_2O_3涂层。

Cu^(2+)及等离子电解氧化处理对Zr-4合金腐蚀性能的影响

采用电化学方法研究锆合金Zr-4在添加不同Cu2+浓度的0.5 mol/L NaCl溶液或0.5 mol/L Na2SO4中的腐蚀行为,探讨不同浓度Cu2+对Zr-4合金腐蚀性能的影响,同时,在10 g/L Na2SiO3.9H2O+10 g/L Na4P2O7.10H2O混合溶液中对Zr-4合金进行等离子电解氧化处理,并用极化曲线技术研究膜层的防护能力。结果表明:Cu2+能使Zr-4合金自腐蚀电位正移,降低极化曲线上钝化区的宽度,使得合金的抗孔蚀能力降低,腐蚀电流密度增加;在硫酸钠溶液中,Cu2+的添加没有使合金产生明显的孔蚀,这表明Zr-4合金的抗孔蚀能力下降是Cu2+和Cl共同作用的结果;等离子电解氧化处理能够大幅度提高Zr-4合金的抗孔蚀能力。

等离子电解渗入工艺和渗层组织

介绍了液相等离子体电解渗入技术,即利用液相中的等离子放电实现渗碳、渗氮、渗硼及多元共渗的基本工作原理、工艺特点和电解液成分等。论述了液相等离子体电解渗入过程中的电流-电压特性和物理化学效应。介绍了经液相等离子体电解渗入处理的20CrMnTi和40Cr钢的表面形貌、渗层显微组织和硬度分布。

阴极等离子电解沉积Al_2O_3-YAG复合涂层及其抗高温氧化性能

采用阴极等离子电解沉积在镍基合金上制备了Al2O3-YAG复合涂层。该涂层的外层具有多孔结构,与合金基体结合的内层为致密结构,涂层总厚度可达100μm,涂层由Al2O3和YAG两相构成。在1100℃空气中循环氧化的结果表明:Al2O3-YAG复合涂层具有优异的抗高温氧化性能和抗剥落性能。这些特性可主要归因于,涂层中Al2O3相阻碍氧扩散的作用和涂层的多孔结构及复合结构的增韧作用。

阴极等离子电解沉积ZrO_2-Al_2O_3-Pt复合热障涂层组织及特性

采用在阴极区添加陶瓷微珠进行阴极等离子电解的方法,可以在大面积的高温合金上沉积ZrO2-5%Al2O3弥散Pt微粒的复合热障涂层。SEM形貌观测结果表明,涂层的内层为致密结构,外层为多孔结构,涂层厚度可达200μm。XRD分析结果表明,该涂层由t-ZrO2、c-ZrO2、α-Al2O3。在1100℃空气中循环氧化结果表明,随着Pt含量的增加,ZrO2-5%Al2O3弥散Pt微粒的复合热障涂层抗高温氧化性能和抗剥落性能显著提高,隔热实验证明该涂层具有优异的隔热性能。这些优异的性能可归于弥散Pt微粒的增韧效应,垂直闭塞微孔可以松弛应力的效应。

Ti6Al4V表面Al_2O_3/MoS_2涂层的阴极等离子电解沉积及性能

利用阴极等离子电解沉积技术(CPED)在Ti6Al4V表面制备了Al2O3/Mo S2减磨耐蚀复合涂层。利用XRD、SEM、EDS等检测手段分析了复合涂层的形貌、物相及元素分布。结果表明,涂层表面呈多孔状,厚度为100μm,由α-Al2O3、γ-Al2O3与Mo S23相组成。涂层与基体结合强度达35 N。与Ti6Al4V相比,该涂层的摩擦系数降低了1/3,腐蚀电位显著提高,腐蚀电流密度下降,有效减缓了基体的腐蚀速率。

2A97 Al-Cu-Li合金在铝酸盐和磷酸盐电解液中等离子电解氧化膜的性能

采用交流双脉冲电流制度对2A97 Al-Cu-Li合金分别在铝酸盐和磷酸盐电解液中进行等离子电解氧化处理的研究,分析所得膜层的微观结构和相组成,并采用电化学极化曲线和摩擦试验对两种电解液中所得膜层的耐腐蚀性能和耐磨性能进行评价。结果表明:在两种电解液中所得膜层表面存在大量饼状结构,膜层由内外两层构成,两层之间分布大量微孔,膜层的相组成主要为α、γ、δ-Al2O3,铝酸盐电解液中所得膜层有较多的α-Al2O3。磷酸盐电解液中所得膜层的耐腐蚀性高于相应的铝酸盐中所得膜层的耐腐蚀性。磷酸盐电解液中所得膜层具有较低的摩擦因数,与膜层中含有的P元素有关。然而,铝酸盐电解液中所得膜层具有更高的耐磨性,是因为铝酸盐膜层中含有更多硬度较高的α-Al2O3。

铝合金表面等离子电解镀镍

采用滴液式等离子电解装置在铝合金表面直接镀镍。研究了等离子电解镀镍的工艺条件,镀层的结构、结合力和耐蚀性能。结果表明:提高镀液中的硫酸含量,可以减少镍镀层的钝化;采用高频脉冲电流,可以获得表面平整的、与铝合金基体呈冶金结合的镀镍层,其结合力达到140 N,是传统浸锌镀镍层的2倍多;镀层含有微量的氧和硫,可提高镀层的自腐蚀电位,使等离子电解镀镍层具有优异的抗蚀性能。

甲酰胺浓度对38CrMoAl钢液相等离子电解渗氮过程的影响

采用液相等离子电解渗氮技术,研究了不同甲酰胺浓度对38CrMoAl钢渗氮层组织及性能的影响。利用OM、SEM、XRD观察分析渗氮层的微观组织结构和物相构成,RF-GDOES和Parstat2273电化学工作站分别表征渗氮层的元素分布和耐蚀性,并测试分析了渗层截面的显微硬度。结果表明,随着电解液中甲酰胺浓度的升高,渗氮致密层、白亮层、扩散层厚度呈先增加后降低的趋势,渗氮层最大显微硬度值呈增加的趋势;当甲酰胺浓度升高至70%时渗氮层达到最大,为125μm,白亮层为51μm;渗氮后扩散层硬度值较高,而心部组织硬度较未处理试样提升约2倍;渗氮层表层主要含Fe2N和Fe3N相,扩散层以Fe16N2、FeN相为主,过渡层主要为α-Fe、FeN0.097相;渗氮层的耐蚀性优于未经处理试样。

Al-Si合金的等离子电解氧化及膜层组织性能研究

为提高铝合金材料在高温下的使用性能,采用等离子电解法在锆盐体系和锆盐-钇盐复合体系中于铝硅合金表面制备了陶瓷层.分析了电解液浓度及成分对起弧电压、膜层厚度、组织及隔热温度的影响.研究结果表明:两种电解液体系中随电解液浓度的增大,起弧电压降低,陶瓷层厚度和隔热温度先增大后减小.与锆盐体系相比,锆盐-钇盐体系中起弧电压显著降低,膜层厚度与隔热温度提高.锆盐体系陶瓷层中生成了常温下稳定的t-ZrO2,锆盐-钇盐体系涂层中则生成了立方相的c-Y0.15Zr0.85O1.93.制备的两种陶瓷膜层与传统的硅酸盐膜层相比,其表面孔洞较少,锆盐-钇盐体系相对于锆盐体系其陶瓷层更加均匀、致密.