CN102345144A - 一种利用电化学共沉积制备镍/钛硅铝碳复合涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可加工层状钛硅铝碳陶瓷领域，特别提供了一种利用电化学共沉积制备镍/钛硅铝碳复合涂层的方法，避免镍基体与钛硅铝碳之间发生相互扩散或反应等问题。在含有硫酸镍、氯化镍和硼酸的镀镍液中，添加钛硅铝碳粉末使之在镀液中充分悬浮，在镍离子阴极还原的同时，将固体颗粒吸附或包覆与金属共沉积制备复合涂层。镀液中硫酸镍的浓度为240-300g/L，氯化镍的浓度为45-75g/L，硼酸的浓度为37-53g/L，钛硅铝碳的固相含量为2-60g/L，pH值范围为3.5-5.0，温度为49-61℃，电沉积时镀液处于搅拌状态，搅拌速率为200-600rpm，电流密度为20-80mA/cm2，沉积时间为15-60min。本发明可以在较低温度(＜100℃)及较短时间内电化学共沉积制备得到固体颗粒分散均匀、致密度好的镍基钛硅铝碳复合涂层。

Description

一种利用电化学共沉积制备镍/钛硅铝碳复合涂层的方法
技术领域
本发明涉及可加工层状钛硅铝碳陶瓷领域，特别提供了一种利用电化学共沉积制备镍/钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)复合涂层的方法。
背景技术
镍是一种非常重要的在高温下应用的工程材料，然而刚性低、抗氧化性和耐磨性差限制了它在诸如内燃机及铸造模具方面的应用。
文献1-5(Thin Solid Films 95(1982)133；Surf.Coat.Technol.148(2001)171；J.Electrochem.Soc.110(1963)557；Mater.Chem.Phys.78(2003)574；Surf.Coat.Technol.192(2005)331)中报道了将镍与SiC、Al2O3、SiO2、ZrO2及TiO2等硬质相颗粒复合会使镍的力学性能如耐磨性、弯曲强度和硬度有明显的提高。
此外，文献6-9(Surf.Coat.Technol.157(2002)282；Mater.Lett.53(2002)238；Met.Finish.65(1967)52；Mater.Des.28(2007)1374)中报道了用软质相颗粒如聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)、MoS2或石墨等增强的镍基复合涂层具有优异的自润滑性，可用于精密机器部件和滑动轴承方面。
钛硅碳(Ti3SiC2)及其固溶体(Ti3SiAlC2)是新型的三元层状陶瓷，具有低密度、高刚性，良好的可加工性、抗热震性、高温抗氧化性及相对低的硬度和剪切强度。因此，将钛硅碳(TiSiC2)与镍复合有望提高金属镍的耐磨性、自润滑性、高温抗氧化及耐腐蚀性。此外，钛硅碳(Ti3SiC2)的热膨胀系数与镍很匹配会使得镍基复合物的内应力小，从而可以更加拓展其在高温方面的应用。
发明内容：
本发明提出的目的在于提供一种利用电化学共沉积制备镍/钛硅铝碳复合涂层的方法，避免镍基体与钛硅铝碳之间发生相互扩散或反应等问题。
本发明的技术方案是：
一种利用电化学共沉积制备镍/钛硅铝碳复合涂层的方法，该方法在含有硫酸镍(NiSO4·6H2O)、氯化镍(NiCl2·6H2O)和硼酸(H3BO3)的镀镍液中，添加钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)粉末使之在镀液中充分悬浮，在较低温度(50-60℃)及较短时间内电化学共沉积制备得到固体颗粒分散均匀、致密度好的镍基钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)复合涂层，具体如下：
1)原料组成及成分范围：
以硫酸镍(NiSO4·6H2O)、氯化镍(NiCl2·6H2O)和硼酸(H3BO3)配置镀镍液；其中，硫酸镍(NiSO4·6H2O)的浓度为240-300g/L，氯化镍(NiCl2·6H2O)的浓度为45-75g/L，硼酸(H3BO3)的浓度为37-53g/L，其余为水；添加钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)粉末使之在镀液中充分悬浮，悬浮液中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的固相含量为2-60g/L。
2)制备工艺：
用氢氧化钠调节镀液pH值范围为3.5-5.0，电沉积时镀液温度为49-61℃，电流密度为20-80mA/cm2，沉积时间为15-60min，搅拌速率为200-600rpm，在镍离子阴极还原的同时，将固体颗粒吸附或包覆与金属共沉积制备复合涂层，获得钛硅铝碳颗粒分散均匀、致密的镍/钛硅铝碳复合涂层厚度为2-10μm。
本发明中，钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)粉末的平均粒度为4-5μm。
本发明的优点是：
1、工艺简单、成本低、环境友好。电化学共沉积在较低温度(＜100℃)下即可进行，复合涂层中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的百分含量可以根据镀液中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的浓度、电流密度、沉积时间等进行控制；
2、复合涂层的性能优异。采用电化学共沉积制备的镍基钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)复合涂层与基体结合强度高、致密度高、增强相颗粒的分散性好。
附图说明
图1电化学共沉积制备镍/钛硅铝碳复合涂层的装置示意图。
图2电化学共沉积制备镍/钛硅铝碳复合涂层的表面形貌。
图3电化学沉积制备的纯镍涂层与镍/钛硅铝碳复合涂层的X射线衍射谱。
图4电化学沉积制备的纯镍涂层与镀液中含有不同浓度的钛硅铝碳镍/钛硅铝碳复合涂层的X射线衍射谱。
图5电化学共沉积制备镍/钛硅铝碳复合涂层的表面形貌。其中，(a)图为由含有5g/L钛硅铝碳粉末的镀液电化学沉积制备得到的镍/钛硅铝碳复合涂层表面形貌；(b)图为由含有25g/L钛硅铝碳粉末的镀液电化学沉积制备得到的镍/钛硅铝碳复合涂层表面形貌。
图6电化学共沉积制备的镍/钛硅铝碳复合涂层中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的百分含量随镀液中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)浓度变化的关系曲线。
图7电化学共沉积制备镍/钛硅铝碳复合涂层的表面形貌。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，电化学沉积装置的结构如下：将工作电极1(不锈钢)和对电极2(纯镍)浸入含有钛硅铝碳粉末的镀镍溶液3中，通过电源4施加电流。用温度计5监控镀液的温度，用磁力搅拌器控制对镀液的搅拌速度，盛放镀镍溶液3的容器设置于水浴锅6中。
以硫酸镍(NiSO4·6H2O)、氯化镍(NiCl2·6H2O)和硼酸(H3BO3)配置镀镍液；其中，硫酸镍(NiSO4·6H2O)的浓度为250g/L，氯化镍(NiCl2·6H2O)的浓度为45g/L，硼酸(H3BO3)的浓度为40g/L，其余为水；将平均粒度为4.4μm的钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)均匀分散在镀液中充分悬浮，悬浮液中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的浓度为50g/L，用氢氧化钠调节镀液pH为3.8，电化学沉积的装置如图1所示。
镀液在温度为60±1℃及不断搅拌状态下，以搅拌速率为200rpm、电流密度为50mA/cm2进行恒电流电化学沉积，沉积时间为30min，由扫描电镜照片可以观察到此条件下制备得到的镍/钛硅铝碳复合涂层中钛硅铝碳颗粒分散均匀、致密，镍/钛硅铝碳复合涂层厚度为2-10μm，如图2所示。
如图3所示，经X射线衍射分析复合涂层中存在钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的衍射峰，且钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的存在影响了镍的择优取向。
实施例2
以硫酸镍(NiSO4·6H2O)、氯化镍(NiCl2·6H2O)和硼酸(H3BO3)配置镀镍液；其中硫酸镍(NiSO4·6H2O)的浓度为260g/L，氯化镍(NiCl2·6H2O)的浓度为60g/L，硼酸(H3BO3)的浓度为50g/L，其余为水；将平均粒度为4μm的钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)均匀分散在镀液中充分悬浮，悬浮液中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的浓度为5、15、25、50g/L，用氢氧化钠调节镀液pH为4.0，电化学沉积的装置如图1所示，镀液在温度为55土1℃及不断搅拌状态下，以搅拌速率为400rpm、电流密度为20mA/cm2进行恒电流电化学沉积，沉积时间为30min，得到钛硅铝碳颗粒分散均匀、致密的镍/钛硅铝碳复合涂层，镍/钛硅铝碳复合涂层厚度为2-10μm。
如图4所示，a、b、c、d和e分别表示纯镍涂层、钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的浓度为5、15、25、50g/L下制备的镍/钛硅铝碳复合涂层，经X射线衍射分析复合涂层中存在钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的衍射峰，且随着镀液中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)浓度的增加复合涂层中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的衍射峰逐渐增强；
如图5所示，镀液中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的浓度分别为5g/L和25g/L制备得到的镍/钛硅铝碳复合涂层表面形貌，随着镀液中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)浓度的增加，复合涂层中钛硅铝碳的含量也随着增加。即可以通过控制镀液中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)浓度的方法来控制复合涂层中钛硅铝碳的含量。
如图6所示，复合涂层中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的百分含量随镀液中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)浓度变化的关系曲线，随着镀液中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)浓度的增加，复合涂层中钛硅铝碳的含量也随着增加至达到一个饱和的趋势。
实施例3
以硫酸镍(NiSO4·6H2O)、氯化镍(NiCl2·6H2O)和硼酸(H3BO3)配置镀镍液；其中，硫酸镍(NiSO4·6H2O)的浓度为250g/L，氯化镍(NiCl2·6H2O)的浓度为45g/L，硼酸(H3BO3)的浓度为40g/L，其余为水；将平均粒度为4μm的钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)均匀分散在镀液中充分悬浮，悬浮液中钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)的浓度为50g/L，用氢氧化钠调节镀液pH为4.5，电化学沉积的装置如图1所示。
镀液在温度为50土1℃及不断搅拌状态下，以搅拌速率为500rpm、电流密度为55mA/cm2进行恒电流电化学沉积，沉积时间为15min，得到钛硅铝碳颗粒分散均匀、致密的镍/钛硅铝碳复合涂层，镍/钛硅铝碳复合涂层厚度为2-10μm，如图7所示。
关于制备镍基复合材料的方法有很多，与高温热冶或粉末冶金相比，电化学共沉积具有沉积速率快、操作温度低(＜100℃)、固体颗粒在复合涂层中分散均匀等优点。本发明可以在较低温度(＜100℃)及较短时间内电化学共沉积制备得到固体颗粒分散均匀、致密度好的镍基钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)复合涂层。采用这种方法制备镍/钛硅铝碳(Ti3SiAlC2)复合涂层可以避免镍基体与钛硅铝碳之间发生相互扩散或反应。

Claims (1)

1.一种利用电化学共沉积制备镍/钛硅铝碳复合涂层的方法，该方法的特征在于：
1)原料组成及成分范围：
以硫酸镍、氯化镍和硼酸配置镀镍液；其中，硫酸镍的浓度为240-300g/L，氯化镍的浓度为45-75g/L，硼酸的浓度为37-53g/L，其余为水；添加钛硅铝碳粉末使之在镀液中充分悬浮，悬浮液中钛硅铝碳的固相含量为2-60g/L；
2)制备工艺：
pH值范围为3.5-5.0，温度为49-61℃，电沉积时电流密度为20-80mA/cm2，沉积时间为15-60min，搅拌速率为200-600rpm。
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