锆基非晶合金电解质等离子体抛光工艺及废液处理

电解质等离子体抛光技术在非晶合金结构件的应用仍处于探索阶段,而且会产生含较高浓度的重金属和氟离子废液。为了提高锆基非晶合金结构件的表面质量以满足其使役性能,研究抛光时间、工作电压、硫酸铵浓度、初始温度、工件入水深度、阳极挂具材料等电解质等离子体抛光工艺参数对锆基非晶合金表面粗糙度、晶化情况的影响,并利用正交试验进行参数组合优化,对比不同参数对于表面粗糙度的影响显著程度。最后针对抛光后废液污染的问题,探究并配套合适的废液处理方案。结果表明:影响抛光后材料表面质量因素的显著程度为抛光时间>工作电压>初始温度>硫酸铵浓度,最优抛光工艺参数组合为抛光时间8 min,工作电压220 V,初始温度88℃,硫酸铵浓度为5%,此时表面粗糙度为0.103μm。经化学混凝沉淀法和离子交换树脂法组合工艺处理后,出水废液中的重金属和氟离子浓度均能达国家电镀污染物排放标准。研究成果可为电解质等离子体抛光在锆基非晶合金的实际生产提供工艺指导,有助于推广锆基非晶合金结构件的产业化应用,促进锆基非晶合金的大规模工业生产。

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。

60%SiCp/2009铝基复合材料表面等离子体电解氧化膜的生长和表征

在硅酸盐溶液中采用等离子体电解氧化技术在60%SiCP(体积分数)/2009铝基复合材料表面制备陶瓷膜。研究氧化膜的显微组织、成分、润湿性及其耐腐蚀性能,探讨SiC颗粒表面火花放电的产生机理。结果表明,来自硅酸盐溶液的不溶性化合物(SiO_(2))使SiC颗粒表面产生火花放电,Al-Si-O化合物中的缺陷为SiC颗粒表面放电电流的传导提供优先路径。1200s时铝基复合材料表面形成5.5μm厚的均匀膜层,膜层的表面自由能在40s时达到最大值37.10 m J/cm^(2),并在1200 s时下降到25.95 m J/cm^(2)。此外,等离子体电解氧化处理可以显著提高复合材料的耐蚀性。

增材制造Ti6Al4V合金的闪速等离子体电解氧化与在生理介质中的电化学行为

研究激光粉末床熔融增材制造(AM)(又称直接金属激光烧结)技术制备的Ti6Al4V合金等离子体电解氧化(PEO)处理及其电化学行为。通过短时间(<120 s)PEO处理(也称闪速PEO),在AM合金和传统合金表面制备了3~10μm厚、含Ca和P的涂层。然后在改良的α-MEM溶液中,通过动电位极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)评估了合金的电化学行为。与传统合金相比,AM合金中形成了细小的层片状α显微组织和层间小尺寸的β相颗粒,这促使了火花的产生,从而促进了PEO涂层的生长。闪速PEO涂层提高了传统合金和AM合金的耐腐蚀性,最薄的涂层(<3μm)提供了高达3倍的保护。AM Ti6Al4V由于其高的晶界密度,易受局部缝隙腐蚀的影响。而即使短至35 s的闪速PEO处理也足以成功避免这种情况。

工艺参数对激光选区熔化316L零件电解质等离子抛光的影响

[目的]激光选区熔化技术(SLM)制备的316L不锈钢零件表面不易抛光。[方法]采用电解质等离子抛光技术对其进行抛光,研究了工艺参数对工件表面粗糙度(Ra)、微观形貌、元素含量、物相组成和耐蚀性的影响,并采用正交试验法进行工艺优化。[结果]各工艺参数对粗糙度的影响排序为:抛光电压>抛光时间>抛光液温度>下潜深度。最佳工艺参数为:抛光电压320 V,抛光时间300 s,抛光液温度80℃,下潜深度250 mm。抛光后的表面粗糙度可由2.1084μm降低至0.2127μm,表面Cr元素含量由初始的13.92%增大到17.28%,在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电位正移,腐蚀电流密度降低。[结论]电解质等离子抛光可有效改善SLM制备的316L零件的表面形貌,降低其表面粗糙度,提高其耐蚀性。

磁控溅射镀铝AZ31镁合金等离子体电解氧化揭示的放电通道结构及其腐蚀行为

在硅酸盐-六偏磷酸盐电解液中对覆盖薄磁控溅射铝层的AZ31镁合金进行等离子体电解氧化(PEO),以研究PEO机理并提高合金的耐腐蚀性。使用SEM和EDS检测涂层形貌并追踪涂层中Mg和Al元素的分布。新的涂层主要在靠近涂层/金属基体界面的放电通道下部形成。在放电通道上部先前形成的氧化物大部分以固态形式保留在原先的位置,只有少部分熔融氧化物通过涂层的微孔流出,到达表层。阴离子可以通过涂层充满电解液的孔传输,自由地进入涂层的最深部位。在3.5%NaCl (质量分数)中进行开路电位、极化曲线和EIS测试。结果表明,致密的磁控溅射Al层可以显着提高AZ31镁合金的耐腐蚀性,其耐腐蚀性甚至优于PEO处理后的样品。

等离子体电解氧化法制备多孔TiO_(2)/V_(2)O_(5)复合物膜层及其增强光催化产氢活性

较差的光催化产氢效率极大地阻碍了TiO_(2)光催化剂的工业化应用。为此,本文在含有NH_(4)VO_(3)的磷酸盐溶液中,采用等离子体电解氧化(PEO)法制备了多孔TiO_(2)/V_(2)O_(5)复合膜光催化剂,通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子谱(XPS)和紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)对其组成、结构及光吸收性质进行了表征,并采用气相色谱评价了薄膜催化剂的光催化产氢性能,研究了电解液中NH_(4)VO_(3)含量对膜的结构、组成和光催化产氢性能的影响。结果表明:复合膜催化剂主要由锐钛矿和金红石型TiO_(2)组成,具有微孔结构,V_(2)O_(5)主要以无定形形式存在于膜中,与TiO_(2)有很强的相互作用,影响TiO_(2)的晶面间距。研究发现,元素V抑制了TiO_(2)的结晶和金红石型TiO_(2)的形成,扩大了薄膜的光学吸收范围。针对Na_(2)S+Na_(2)SO_(3)溶液中的光催化产氢性能的研究显示,在质量浓度为1 g/L NH_(4)VO_(3)的电解液中制备的TiO_(2)/V_(2)O_(5)薄膜的光催化活性最高,优于近年来报道的其他光催化剂。光催化重复实验表明,该复合膜催化剂具有较高的稳定性和较为恒定的光催化活性。

电解等离子表面热处理工艺研究

采用电解等离子表面处理技术对3Cr13不锈钢进行表面处理,利用金相组织观察、显微硬度测试等手段探究了不同处理时间下试样的组织变化和硬度分布。研究结果表明,该技术能够在短时间内完成指定区域硬化处理,经电解等离子表面处理后形成球冠状硬化区域,完全硬化区为马氏体组织以及残余奥氏体,晶粒尺寸约为基体尺寸的2~3倍,向深处平滑过渡。不完全硬化区组织为粒状组织,晶粒细化区则为粒状珠光体组织。硬化层最高显微硬度值可达717.9 HV0.1,硬化层深度可达7.5 mm以上,其中500 HV0.1以上硬化层深度>3 mm。处理时间的增加能够提升最高硬度值以及硬化层深度,硬化层深度受时间因素的影响更为明显,500 HV0.1以上硬化层深度由0.4 mm可提升至3.5 mm。

退火对304不锈钢电解质等离子体抛光的影响

这里主要研究了退火处理对电解质等离子体抛光304不锈钢表面粗糙度、材料去除率和残余应力的影响,从而为降低不锈钢工件表面粗糙度,提高表面性能提供依据。通过在不同温度下对304不锈钢样品进行真空退火处理,并在相同的实验条件下进行电解质等离子体抛光(电压、电流密度、电解液浓度、温度、加工时间),采用粗糙度测试仪、超景深光学显微镜、X射线应力分析仪、X射线衍射仪(XRD)对抛光前后样品的残余应力、粗糙度值、表面形貌、材料去除率、物相和组织变化进行了测试和表征,讨论了不同退火温度对电解质等离子体抛光304不锈钢样品表面粗糙度和残余应力的影响。结果表明电解质等离子体抛光不仅能有效降低304不锈钢样品的表面粗糙度和残余应力,且表现出了明显的晶粒取向分布。退火温度越高,电解质等离子体抛光后表面残余应力越小,材料去除率随着退火温度的升高而降低。电解质等离子体抛光过程中的热效应和组织转变是造成残余应力松弛的主要原因。

阴极等离子体电解氧化表面改性新方法探索

阴极等离子电解氧化(CPEO)打破等离子体电解领域传统认识,利用液相放电现象,使钢铁及钛基材料阴极表面快速氧化,是一种氧化膜制备新方法,提高了材料的耐磨、耐蚀性能。与微弧氧化或阳极等离子电解氧化技术相比,CPEO技术的氧化膜生长速率显著提高,并适用于各种钢铁材料表面改性。介绍了CPEO技术的基本原理,包括液相放电现象和电压电流的演变过程、气膜形成与击穿过程、阴极内部近表面温度随电压变化规律和快速氧化过程,并对比分析了CPEO与阳极等离子体电解氧化和电解渗技术原理的共性与差异。介绍了光发射谱测量和等离子体参数的计算结果,分析阴极等离子体放电环境中阴极等离子体电解氧化机制。进一步总结了碳钢、不锈钢、Mo、TiAl合金表面CPEO膜的形貌、组织结构和性能特点,分析电解液中悬浮的碳粉特性,探讨放电过程中类金刚石(DLC)成分合成的可行性,并初步制备出含DLC成分的CPEO复合氧化膜。最后总结并展望了CPEO技术的发展方向以及应用前景。

阴极等离子体电解沉积铁镍/氮掺杂碳及其电催化产氧

目的提高阳极产氧催化剂的催化活性与稳定性,降低电解水制氢能耗。方法在含尿素、甲酰胺及三乙醇胺的有机体系电解液中,采用阴极等离子体电解沉积技术于TC4钛合金表面沉积了FeNi/N掺杂碳膜层,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)及X射线光电子能谱仪(XPS),对所合成材料的物相组成、形貌及表面元素价态进行表征。采用三电极体系,所合成膜层作为工作电极,铂丝与饱和甘汞电极分别作为对电极与参比电极,通过线性扫描伏安法(LSV)、塔菲尔曲线、电化学阻抗谱及计时电位法于1.0 mol/L KOH溶液中评价了所合成材料的电催化产氧活性与稳定性。结果所合成膜层物相主要由FeNi、N掺杂碳构成,表面呈粗糙多孔结构,电解沉积70min所得FeNi/N掺杂碳在10 mA/cm^(2)下的析氧过电位为0.20 V,显著低于反应10、40、100 min下所得样品,产氧性能优于贵金属IrO_(2)和RuO_(2),同时该样品呈现出较低的电荷转移电阻(1.75Ω)和塔菲尔斜率(38.3 mV/dec),以及优异的稳定性。结论膜层表面粗糙多孔结构可有效增强传质,并为电催化产氧提供丰富的活性位点,进而改善其产氧性能。此外,材料简易的制备方法及自支撑结构可简化电极制备成本,使其在电解水领域表现出潜在的应用前景。

“液相等离子体电解新技术”专题序言

液相等离子体电解技术基于液相放电产生高温等离子体,对轻金属和钢铁等金属材料进行表面改性,形成氧化膜、沉积层或渗层,显著提高材料的耐磨、耐蚀等性能。目前,基于阳极放电的铝、镁、钛等阀金属等离子体电解氧化(即微弧氧化技术)逐渐成熟,氧化工艺、性能和机理研究论文大量发表。除阀金属微弧氧化外,等离子体电解技术还包括等离子体电解渗(碳氮硼)、等离子体电解抛光和清洗、等离子体电解氟化、阴极微弧电沉积、阴极等离子体电解氧化等工艺,也包括铁基、铜基材料等非阀金属微弧氧化。

304钢等离子体电解抛光工艺与其表面结构性能研究

目的减小304钢的表面粗糙度,以满足工程应用中对高质量表面的需求。方法提出采用等离子体电解抛光(Plasma Electrolytic Polishing,PEP)技术实现304钢表面精整改性,结合高速摄影技术,研究等离子体电解抛光放电过程。通过对比304钢在不同电解液中形成钝化膜的电化学特性,探究不同工艺参数对抛光效果的影响,进一步设计正交试验研究不同因素间的交互作用及最佳工艺方案,阐释抛光前后表面微观形貌与浸润性、耐腐蚀性能及硬度的关系。结果通过对比分析不同电解液体系中304钢表面钝化膜的电化学特性表明,304钢在(NH_(4))_(2)SO_(4)溶液中的腐蚀电位最低,钝化膜更容易被击穿,因此选用(NH_(4))_(2)SO_(4)作为电解液。正交试验和极差分析结果表明,304钢在抛光电压370V、电解液温度80℃、电解质质量分数7%、抛光时间6 min的条件下获得最小的粗糙度(~0.050μm)。各因素对304钢表面粗糙度的影响大小顺序为电解液温度>抛光时间>抛光电压>电解质浓度。表面性能结果显示,抛光后304钢的表面光洁度显著提高,呈镜面光泽,接触角由35.09°提升至78.52°,耐腐蚀性有所提高,表面硬度略有下降。结论通过等离子体电解抛光实现304钢表面粗糙度减小及表面质量的显著提高,该技术具有抛光效率高、工艺简单、节能环保等优点,可广泛应用于生物医疗、石油化工、机械制造等领域。

黄铜表面等离子体电解氧化膜层的制备及性能分析

为了提高黄铜的耐蚀性能,对其表面进行等离子体电解氧化,并分析Na_(2)SiO_(3)电解质浓度对氧化膜层性能的影响。调配以Na_(2)SiO_(3)·9H 2O,NaOH为主要成分的电解液,设置正向电压为520 V、正向电流1.4 A、脉冲频率2000 Hz、正负占空比20%,对黄铜试件进行80 min的等离子体电解氧化。通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、表面粗糙度测量仪、涡流测厚仪、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、百格刀附着力测试仪、电化学工作站(动电位极化曲线),研究Na_(2)SiO_(3)浓度对氧化膜层的微观形貌、厚度、粗糙度、化学组分、结合力及耐蚀性能的影响。结果表明:膜层表面的化学组分是以Cu,Zn,O,Si等元素组成,并以金属氧化物和非晶二氧化硅的形式存在;随着Na_(2)SiO_(3)浓度的升高,膜层表面的微孔数量逐渐增多,孔洞尺寸和分布越来越均匀,膜层厚度先增大后减小,表面粗糙度值先减小后增大;然而过大的Na_(2)SiO_(3)浓度,等离子体电解氧化反应加剧,表面出现熔解现象,膜层质量不升反降。等离子体电解氧化能够有效提高黄铜的表面性能,当Na_(2)SiO_(3)浓度为8 g/L时,氧化膜层结合力和耐蚀性能最好,其自腐蚀电流密度与基体相比,下降了2个数量级。

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。

TC4钛合金电解质等离子抛光工艺研究

为确认电解质等离子抛光的加工时间、加工温度、加工电压、抛光液(2.25%NH4Cl+2%NH4F)质量分数等因素对TC4钛合金抛光效果的影响,对TC4钛合金抛光前后表面粗糙度、微观形貌、表层元素含量、显微硬度等进行检测。结果表明,加工时间和加工温度对TC4钛合金抛光效果的影响最大。抛光工艺参数的正交试验优化结果为:加工时间400 s,温度90℃,电压300 V,抛光液质量分数2.04%。抛光后TC4钛合金的表面粗糙度可低至0.0244μm。

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。

钛合金微弧氧化涂层等离子体电解去除工艺与作用机制

微弧氧化涂层在制备及服役过程中出现生长不均匀或表面磨损剥落现象,需将其去除以达到二次制备再利用的目的。针对高结合强度微弧氧化涂层难去除的瓶颈问题,提出了一种等离子体电解涂层去除(Plasma Electrolytic Removal, PER)新技术。对比分析不同电压下涂层去除速率、厚度变化及不同时间下涂层去除后微观形貌发现,当施加电压260 V时,涂层去除效率最低,经过11 min后涂层全部去除;当电压升至320 V时,涂层全部去除仅需6 min,这归因于大的施加电压,更容易产生多且稳定的等离子体放电通道,实现微弧氧化涂层快速去除;基于此进一步提出了等离子体电解涂层去除的剥离、减薄与溶解协同作用机制。该工艺去除效率高、绿色环保,在航空航天、医疗器械等领域具有广阔的应用前景。

低碳钢液相等离子体电解B+C+N共渗层的摩擦电化学行为

目的研究液相等离子电解硼碳氮三元共渗处理(PEB/C/N)对Q235低碳钢摩擦电化学行为的影响。方法采用PEB/C/N方法在Q235低碳钢表面制备共渗层,通过电化学的开路电位测试和摩擦磨损实验评估Q235钢基体和PEB/C/N试样在NaCl(质量分数3.5%)腐蚀介质中与Si_(3)N_(4)球对磨的摩擦电化学行为。结果在电压为280 V的PEB/C/N共渗中,试样周围等离子体区的电子温度稳定在3500 K左右。经过PEB/C/N处理30 min后,生成的共渗层包括15μm主要由Fe_(2)B相组成的表面渗层和40μm的过渡层。在摩擦过程中,PEB/C/N试样的开路电位保持在-200~-300 m V之间,且波动较小,明显高于Q235钢基体。同时,PEB/C/N试样的磨损率为3.88×10^(4)μm^(3)/(N·m),只是钢基体磨损率的1/3。在NaCl腐蚀介质中,由于腐蚀和磨损的交互作用,使Q235钢基体产生了塑性应变位错和局部的微裂纹,因此磨损进一步增加,磨损机制主要为疲劳磨损和磨粒磨损。PEB/C/N试样的共渗层有效阻挡了Cl(-)对基体的腐蚀,磨损机制主要为磨粒磨损。结论PEB/C/N试样在NaCl腐蚀介质中的耐腐蚀和耐磨性能得到明显提升。

电解液成分对等离子体电解氧化TC4合金腐蚀行为和摩擦学性能的影响

在TC4合金表面制备4种典型等离子体电解氧化(PEO)涂层,研究电解质组成对PEO涂层腐蚀行为和摩擦学性能的影响。结果表明,PEO涂层的腐蚀行为和摩擦学性能与电解质成分密切相关。在含NaH_(2)PO_(2)的电解液中制备的PEO涂层由于内氧化膜较致密而具有最好的耐蚀性能,而在含NaAlO_(2)的电解液中制备的PEO涂层由于含有Al_(2)O_(3)而具有最好的摩擦学性能。为制备具有良好耐蚀性和耐磨性的PEO涂层,以NaH_(2)PO_(2)和NaAlO_(2)为电解液主要成分制备了复合PEO涂层。