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        鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層的增材制造技術(shù)研究進(jìn)展

        2022-09-02 09:20:40朱兆閣張紅哲郭登峰
        化工機(jī)械 2022年4期
        關(guān)鍵詞:增材鍍層沉積

        朱兆閣 張紅哲 郭登峰

        (1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院;2.大慶采油四廠第一作業(yè)區(qū))

        由于金屬鎳具有良好的物理性質(zhì)、化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的機(jī)械加工性能和力學(xué)性能,因此,純鎳鍍層常被作為裝飾性保護(hù)鍍層,其擁有很長(zhǎng)的發(fā)展歷史[1~5]。但隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,電子、航天及海洋等許多重大領(lǐng)域?qū)Σ牧媳砻嫘阅芤笤絹?lái)越高, 單一鍍層已經(jīng)不能滿足如今高精密、高性能儀器的發(fā)展需要,所以,需要在金屬鎳基礎(chǔ)上引入其他材料形成復(fù)合鍍層[6,7]。鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層是一種由陶瓷顆粒與鎳離子共沉積而制得的鍍層,與單一鍍層相比,其具有硬度高、強(qiáng)度高、耐腐蝕性優(yōu)異、耐高溫及高溫抗氧化性等優(yōu)勢(shì),從而在機(jī)械、電子及耐火材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[8~10]。 由于鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層在制備過(guò)程中,往往存在制備周期長(zhǎng)、陶瓷顆粒與鎳離子沉積不均勻等現(xiàn)象,因此,尋找新型制備方式是當(dāng)前研究的重點(diǎn)[11~15]。 迅速發(fā)展的增材制造技術(shù)是一種以粉末或熔體為原料,通過(guò)對(duì)原料逐層疊加而獲得三維實(shí)體的制造新技術(shù),又稱(chēng)為3D 打印技術(shù)[16~20]。 增材制造技術(shù)具有制造靈活、無(wú)需模具、制造周期短、原料利用率高及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),在金屬、陶瓷、高分子及復(fù)合材料等領(lǐng)域具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[21~25]。 為了改善材料表面性能并提高鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層制備效率,將增材制造技術(shù)與制備該復(fù)合鍍層進(jìn)行結(jié)合, 以克服傳統(tǒng)制備方式所存在的缺陷,因此,增材制造技術(shù)為制備鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層提供了機(jī)遇。 筆者對(duì)超聲電沉積技術(shù)、脈沖電沉積技術(shù)和噴射電沉積技術(shù)3 種典型的增材制造技術(shù)應(yīng)用于制備鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,最后提出對(duì)增材制造技術(shù)制備鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層的展望。

        1 超聲電沉積制備鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層的研究進(jìn)展

        BELTOWSKA-LEHMAN E 等采用超聲電沉積 技 術(shù) 制 備 出Ni-W/ZrO2納 米 復(fù) 合 鍍 層[26],由 圖1 可知, 在超聲電沉積技術(shù)下所有鍍層均具有相似的XRD 圖案, 隨著ZrO2顆粒含量的增加,Ni-W 基體的微觀結(jié)構(gòu)變得更細(xì)小,XRD 圖案上的Ni 線逐漸變寬,并且強(qiáng)度略有下降。 劉章棋等采用超聲輔助電沉積方法在GCr15 鋼表面制備了Ni-TiN 納米復(fù)合鍍層[27],結(jié)果表明,當(dāng)超聲波功率為150 W、 陰極電流密度為0.6 A/dm2時(shí),Ni-TiN 納米復(fù)合鍍層經(jīng)磨損后表面凸起狀顆粒較少,且無(wú)顆粒脫落現(xiàn)象。 敖正紅等利用超聲-旋轉(zhuǎn)陰極電沉積方式制備出Ni-ZrO2納米復(fù)合鍍層[28],圖2 為電沉積裝置示意圖,結(jié)果發(fā)現(xiàn),超聲場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)陰極都會(huì)影響該復(fù)合鍍層的組織結(jié)構(gòu)和ZrO2含量,但在超聲波和旋轉(zhuǎn)陰極協(xié)同作用下效果更為顯著,該復(fù)合鍍層耐腐蝕性最好。 張翔博等采用超聲電沉積方法制備出Ni-Co/ZrO2復(fù)合鍍層[29],實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于在制備過(guò)程中加入納米粒子,且受到超聲波空化效應(yīng)影響,該復(fù)合鍍層顆粒細(xì)小、表面更加致密。 趙子云等利用超聲電沉積技術(shù)制備出Ni-TiN 納米復(fù)合鍍層[30],結(jié)果表明,在超聲電沉積作用下,Ni-TiN 納米復(fù)合鍍層表面均勻、平整、無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象。

        圖1 負(fù)載不同ZrO2 含量電解液中沉積金屬Ni-W 和復(fù)合Ni-W/ZrO2 鍍層的XRD 圖

        圖2 電沉積裝置示意圖

        WANG Y 等研究了超聲輔助電化學(xué)沉積Ni-Co-ZrO2的表征情況[31],由圖3 可以看出,Ni-Co-ZrO2復(fù)合材料的電容電弧半徑小于Ni-Co 合金,這有助于納米ZrO2顆粒在陰極表面的吸附,并增加了活性反應(yīng)面積,加速了反應(yīng)的進(jìn)行。 吳化等采用超聲電沉積方法在銅基體表面制備出Ni-SiC 納米復(fù)合鍍層[32],實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,超聲電沉積可以有效抑制晶粒成長(zhǎng),進(jìn)而對(duì)鍍層晶粒的細(xì)化起到促進(jìn)作用,因此,提高了該復(fù)合鍍層的顯微硬度。 MA C Y 等采用超聲脈沖噴射電沉積技術(shù)成功制備了Ni-AlN 納米復(fù)合鍍層[33],結(jié)果表明,與其他鍍層相比,Ni-AlN 納米復(fù)合鍍層具有最小和最致密的表面結(jié)構(gòu),并且還具有最小的腐蝕電位和腐蝕電流密度。 當(dāng)超聲波應(yīng)用于液體介質(zhì)時(shí),會(huì)發(fā)生空化效應(yīng),在其通過(guò)的介質(zhì)分子中會(huì)引起一系列壓縮(正壓)和稀疏(負(fù)壓)循環(huán)在液體中傳播。 當(dāng)功率足夠高時(shí),在負(fù)壓循環(huán)期間,液體中可能會(huì)形成空腔或“氣泡”。 如圖4 所示,由于這些空化氣泡的存在而導(dǎo)致機(jī)械和化學(xué)事件是超聲波在一般化學(xué)和電化學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的基礎(chǔ)[34]。 TUDELA L 等用不同方法評(píng)估超聲功率對(duì)制備N(xiāo)i 鍍層特性的影響[35],實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,超聲可以使Ni 的電沉積具有較好的取向, 而且在一定程度上超聲還可以細(xì)化鍍層表面的某些晶粒。

        圖3 超聲輔助電化學(xué)沉積表征圖

        圖4 超聲輻照引起的空化主要影響示意圖

        2 脈沖電沉積制備鎳基納米復(fù)合陶瓷的研究進(jìn)展

        近年來(lái),一些具有納米管的自組織多孔金屬氧化物引起了人們的廣泛關(guān)注,例如TiO2、Al2O3、ZnO 等,其中TiO2最為特別。 史芳芳等通過(guò)雙向脈沖電沉積技術(shù)制備出SiC/Ni-Co 復(fù)合鍍層[36],實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),SiC/Ni-Co 鍍層表面光亮平整、 結(jié)晶更均勻細(xì)密, 進(jìn)一步提高了該復(fù)合鍍層的耐腐蝕性。 WANG Y 等利用脈沖電沉積方式制備了Ni-TiO2納米復(fù)合鍍層[37],實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于脈沖電沉積技術(shù)的采用和TiO2納米顆粒的添加,使得晶粒尺寸減小,Ni 鍍層機(jī)械性能得到提高。JIN P 等采用磁脈沖電沉積(MPED)技術(shù)將Ni-SiC 納米復(fù)合材料沉積在Q235 鋼基底上[38],由圖5 可知,在3 種制備的復(fù)合材料中,S-30 納米復(fù)合材料處理的SiC 含量最大,主要?dú)w因于MHD 效應(yīng),MHD 可有效促進(jìn)小尺寸SiC 納米顆粒的沉積, 并與鎳離子在Ni-SiC 納米復(fù)合材料中共沉積大量SiC 納米顆粒。 ZHANG Y 等通過(guò)脈沖電沉積技術(shù)成功制備了Ni-TiO2納米復(fù)合材料[39],由圖6(電流幅度70 mA/cm2,正負(fù)電流脈沖時(shí)間2.8 ms,電流截止時(shí)間1 000 ms)可以觀察到,隨著雙向脈沖沉積時(shí)間的增加,納米粒子尺寸越來(lái)越大。 在制備該復(fù)合材料時(shí),通過(guò)添加脈沖電沉積形成新核的自由能來(lái)提高核速率,進(jìn)而改善粒徑大小,并提高沉積速率。

        圖5 SiC 粒徑對(duì)Ni-SiC 納米復(fù)合材料EDS 光譜的影響

        圖6 不同沉積時(shí)間下制備的Ni-TiO2 納米復(fù)合材料的FESEM 圖像

        XU Y Y 等采用脈沖電沉積法制備了Ni-ZrO2-CeO2納 米 復(fù) 合 鍍 層[40],實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明,Ni-ZrO2-CeO2納米復(fù)合鍍層表現(xiàn)出更好的表面光滑度、更致密的組織和更高的顯微硬度。 ALGUL H等通過(guò)脈沖電沉積技術(shù)制備了Ni-TiO2,增強(qiáng)了鎳基MMC 的摩擦學(xué)性能[41],圖7 所示分別為以4、8、16 g/L TiO2顆粒濃度生成的納米復(fù)合材料的3D 圖像。 結(jié)果表明, 在制備過(guò)程中, 電解質(zhì)中TiO2顆粒含量為16 g/L 時(shí)復(fù)合鍍層具有最佳的光滑表面。JIN P 等在Wt 型鍍鎳溶液中通過(guò)脈沖電流電沉積方式制備了Ni-W-SiC 薄膜[42],如圖8所示,隨著SiC 濃度從0 g/L 增加到9 g/L,膜的腐蝕電位增加,當(dāng)使用更高SiC 濃度(12 g/L)時(shí),膜的腐蝕電位下降。 由此可知,當(dāng)SiC 濃度為9 g/L時(shí),獲得的Ni-W-SiC 薄膜的最小腐蝕電流顯示出最優(yōu)異的耐腐蝕性。LO I H 等利用脈沖電沉積技術(shù)在ZnO 納米線上合成Ni(OH)2納米薄片[43],用于高性能超級(jí)電容器制造。 結(jié)果發(fā)現(xiàn),脈沖時(shí)間和弛豫時(shí)間都會(huì)影響納米薄片的尺寸和間隔,最佳間隔的Ni(OH)2納米薄片會(huì)增加其表面積,并促進(jìn)電解質(zhì)的擴(kuò)散, 進(jìn)而增強(qiáng)氧化還原反應(yīng),提 高電極的假電容率。

        圖7 不同TiO2 顆粒濃度生成的納米復(fù)合材料的3D 圖像

        圖8 Ni-W-SiC 膜在3.5 wt%的NaCl溶液中的極化曲線

        3 噴射電沉積制備鎳基納米復(fù)合陶瓷的研究進(jìn)展

        WANG C 等利用噴射電沉積方式制備鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層[44],結(jié)果表明,噴射電沉積具有可移動(dòng)且靈活的摩擦力,通過(guò)調(diào)整電流密度和陰極掃描速率來(lái)提高該鍍層的沉積速率和質(zhì)量,進(jìn)而使得鍍層的耐腐蝕性顯著提高。LI H 等在鋼C1045 表面上[45],利用脈沖噴射電沉積制備了Ni-Co-BN(h)納米復(fù)合鍍層。 結(jié)果表明,在脈沖噴射電沉積過(guò)程中,占空比和脈沖頻率的變化對(duì)鍍層的顯微硬度具有相似影響,且隨著脈沖參數(shù)的增加,顯微硬度先增加,后降低。SONG Z Y 等研究電流密度對(duì)噴射電沉積制備N(xiāo)i-P-ZrO2-CeO2復(fù)合鍍層性能的影響[46],圖9 所示為不同電流密度下制備的Ni-P-ZrO2-CeO2復(fù)合鍍層的XRD 圖譜。 FAN H 等采用噴射電沉積方法改善了Ni-Al2O3復(fù)合鍍層的組織和性能[47],如圖10 所示,該鍍層硬度隨電流密度的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì),在相同電流密度下,鍍層硬度隨著電解質(zhì)中Al2O3顆粒濃度的增加而增加。 因此,適當(dāng)增加電流密度和添加Al2O3可以增加鍍層中納米顆粒的共沉積, 并促進(jìn)形成致密和細(xì)化的鍍層結(jié)構(gòu)。

        圖9 不同電流密度下制備的Ni-P-ZrO2-CeO2復(fù)合鍍層的XRD 圖譜

        圖10 電流密度和Al2O3 添加量對(duì)鍍層顯微硬度的影響

        WANG C 等采用交錯(cuò)噴射電沉積技術(shù)制備N(xiāo)i-CeO2納米復(fù)合鍍層[48],結(jié)果表明,當(dāng)引入隔行掃描后,涂料的納米顆粒含量比常規(guī)噴射電沉積的高,所得的鍍層表面更加均勻和光滑,通過(guò)隔行沉積,腐蝕電流密度下降到0.349 μA/cm2,鍍層腐蝕性進(jìn)一步增加。 WANG F X 在45 鋼上利用磁場(chǎng)增強(qiáng)噴射電沉積制備了Ni-P-SiC 復(fù)合鍍層[49],結(jié)果表明,在磁場(chǎng)增強(qiáng)噴射電沉積條件下制備的Ni-P-SiC 鍍層表面是平坦的,且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加,復(fù)合鍍層的顯微硬度、耐磨性和耐蝕性進(jìn)一步得到改善。JIANG W 等通過(guò)磁場(chǎng)誘導(dǎo)噴 射 電 沉 積 來(lái) 制 造Ni-Co-SiC 復(fù) 合 鍍 層[50],如 圖11 所示,磁場(chǎng)對(duì)電解質(zhì)中的氫氧化學(xué)鍵產(chǎn)生延長(zhǎng)影響,氫和氧之間的鍵合距離增加,有利于保持陰極表面的pH 值并減緩Ni-Co 的異常共沉積。高速射流會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)磁場(chǎng)的影響,沖洗了由界面產(chǎn)生的氣泡和雜質(zhì), 并使電場(chǎng)線的邊界均勻,從而確保了納米粒子在鍍層中的均勻分散。

        圖11 嵌入復(fù)合鍍層的納米SiC 示意圖

        4 結(jié)束語(yǔ)

        隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展,汽車(chē)業(yè)、航空業(yè)以及各種工業(yè)等領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅芴岢隽嗽絹?lái)越高的要求,單一金屬鍍層已經(jīng)不能滿足當(dāng)今快速發(fā)展的需要。 由于納米顆粒擁有許多獨(dú)特的物理性能和化學(xué)性能,因此,納米復(fù)合鍍層的發(fā)展價(jià)值越來(lái)越高,且納米復(fù)合鍍層與單層金屬鍍層相比,性能上有很大的提高。 鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層在市場(chǎng)上具有很大的應(yīng)用前景,但傳統(tǒng)的制備方式存在效率低、制備周期長(zhǎng)以及陶瓷顆粒與鎳離子沉積不均勻等缺陷,這極大地限制了鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層的大規(guī)模應(yīng)用。 增材制造技術(shù)具有制造靈活、自動(dòng)化程度高、原料利用率高及成本低等特點(diǎn),因此,把增材制造技術(shù)應(yīng)用于鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層的制備,將會(huì)大幅提高該復(fù)合鍍層的制備效率。 采用超聲電沉積技術(shù)、噴射電沉積技術(shù)和脈沖電沉積技術(shù)制備鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層已進(jìn)行了研究, 并且也有了一系列進(jìn)展。 這些技術(shù)會(huì)提高鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層產(chǎn)品的整體性能,減小Ni 晶粒的尺寸,使得鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層表面形貌更加平整、組織結(jié)構(gòu)更加致密,從而延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命,具有良好的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益,因此,增材制造技術(shù)應(yīng)用于鎳基納米陶瓷復(fù)合鍍層的制備將是今后研究的重點(diǎn)。

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