CN105350041B - 电沉积Ni‑Co‑Al‑Cr高温复合镀层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种电沉积Ni‑Co‑Al‑Cr高温复合镀层及其制备方法,它采用金属材料作基体,先将基体表面进行前处理,再配以硫酸镍、氯化钴为主要组分,以铝粉、铬粉为分散相的复合镀液,对复合镀液进行超声分散处理,通过合理设置电沉积参数,充分搅拌使铝粉、铬粉微粒均匀分散在镀液中,在施加电流状态下铝粉、铬粉微粒与基质金属镍钴发生共沉积及真空扩散热处理而得到Ni‑Co‑Al‑Cr高温复合镀层;该镀层的Al、Cr元素含量较高,它在1100℃以下具有优良的抗高温氧化性能;它克服了热喷涂MCrAlY(M=Ni,Co,Fe或它们的合金)涂层孔隙率高、界面结合强度低的缺点,提高了现有Ni‑Cr、Ni‑Al和Ni‑Cr‑Al复合镀层的高温力学性能和高温抗氧化性能。它适合作航空、冶金、化工和热能等领域中高温工作的零部件的表面防护。
Description
技术领域
本发明涉及电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层及其制备方法。
背景技术
镍基、钴基高温合金具有良好的高温力学性能、高温蠕变抗力和抗氧化性,被广泛用于航空发动机、热能、冶金等领域中的高温热端部件。Al、Cr是高温合金中常用的合金元素,Al、Cr元素的活性较大,能使合金表面形成具有保护性的连续的Al2O3或Cr2O3膜,得以保护金属基体免于进一步的高温氧化,从而提高基体的抗氧化性能。增大合金中Al、Cr的含量,高温合金的抗氧化性能增加,但其高温力学性能降低。因而,高温合金中Al或Cr含量不宜太高。其次,镍、钴都是贵金属元素,使得镍基、钴基高温合金的制造成本较高,也限制了该合金的应用范围。为了解决合金的高温力学性能和抗氧化性能之间的矛盾,最有效的方法是在合金表面制备Al、Cr含量较高的高温防护涂层。
较早的抗氧化涂层是用渗铝法制备的铝化物涂层;MCrAlY(M=Ni,Co,Fe或它们的合金)是继铝化物涂层和改性铝化物涂层之后的新一代防护涂层,该涂层可用热喷涂、物理气相沉积等技术制备。复合电沉积是一种在基质金属(例如:镍、铜或其合金)镀液中加入不溶性的固体微粒,使基质金属与固体微粒共沉积而形成复合镀层的新技术,这为高Al或高Cr含量的高温合金镀层的制备提供了新途径。近年来,利用复合电沉积技术在弱酸性镀液中制备了Ni-Cr、Ni-Al和Ni-Cr-Al高温复合镀层,但Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层尚未见报道。由于钴的扩散活动小,能提高合金镀层的高温强度、韧性及抗氧化性,因而,Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层可以显示出比Ni-Cr、Ni-Al和Ni-Cr-Al复合镀层更优良的高温性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层及其制备方法,用该方法制备的电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层既具有优异的耐蚀性能和高温性能,还具有制备工艺简单、可靠,操作容易,利于工业化生产,且生产成本低,不污染环境,便于普及推广。
为实现上述目的,一种电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,用金属材料作基体,先将基体表面进行前处理,配制以硫酸镍、氯化钴为主要组分、以铝粉和铬粉为分散相的复合镀液,将前处理好的基体经表面活化后置入复合镀液中,进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,再经真空扩散热处理得到Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,其制备与操作步骤如下:
Ⅰ、工艺流程
选用金属材料作基体—基体材料表面前处理:去油、除锈、打磨、丙酮清洗—铝粉、铬粉的表面修饰—配置镍-钴-铝-铬复合镀液—对镀液进行超声波分散处理—基体材料表面活化—电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层—真空扩散热处理—产品;
Ⅱ、操作步骤
①用金属材料作基体,备用;
②基体的去油处理,其配方质量分数为:氢氧化钠18~22g/L、碳酸钠28~32g/L、磷酸钠8~10g/L、OP-10乳化剂1.5~2.5ml/L体积分数,温度78~82℃;
③基体的除锈处理,其配方为:硫酸100~110ml/L体积分数、六次甲基四胺10~12g/L质量分数,温度48~52℃;
④用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的基体打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
⑤铝粉、铬粉的表面修饰处理:
⑤-1取粒径为2~6μm的铝粉或铬粉,用pH=11.5~12.5的氢氧化钠(NaOH)溶液浸泡铝粉或铬粉12~16分钟,再用无水乙醇溶解铝粉或铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉或铬粉洗涤4~6次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉或铬粉;
⑤-2量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解10~12小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:18~20;取片状铝粉或铬粉5~7克,取120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至38~43℃,并滴加192~205.5毫升乙醇稀释的正硅酸乙酯(TEOS)、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:30~32:0.5~0.75;加料完毕后,于38~43℃下反应4.5~5.5小时;反应产物经抽滤、洗涤和干燥,得到二氧化硅(SiO2)包覆型铝粉或铬粉;
⑥配置镍-钴-铝-铬复合镀液,每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O60~100g/L、CoCl2·6H2O 4~6g/L、H3BO3 15~25g/L、柠檬酸50~60g/L、柠檬酸三钠10~20g/L、糖精0.6~1.0g/L;SiO2包覆型铝粉0~20g/L;SiO2包覆型铬粉0~20g/L;用体积浓度为10%H2SO4或质量浓度为10%NaOH溶液调节复合镀液的pH值至3.1~3.5,然后,用去离子水将复合镀液加到500毫升;
⑦基体材料活化;
⑧电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:
⑧-1将已配置的复合镀液加热,温度控制在40~50℃;
⑧-2施镀前,将复合镀液置于超声波振动器内进行超声振动分散处理,时间为10~12分钟;
⑧-3用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:电流密度5~8A/dm2,施镀时间为3~5小时;
⑧-4施镀过程中,用电动搅拌器进行连续搅拌,搅拌速度为150~250r/min,使铝粉和铬粉充分悬浮在镀液中;
⑨真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空电阻炉中,随炉升温到700~800℃,升温速度为5~7℃/分钟,保温90~150分钟,随炉冷却至室温;
⑩从炉内取出Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试件,即为Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层产品。
为实现上述目的的最佳效果,其进一步的措施是:
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V、不锈钢1Cr13或铬青铜QCr1.5。
铝粉、铬粉的表面除油、除脂:用pH=11.5~12.5的NaOH溶液浸泡铝粉或铬粉12~16分钟,再用无水乙醇溶解铝粉或铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉或铬粉洗涤4~6次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉或铬粉。
铝粉或铬粉的表面修饰:用凝胶-溶胶法制备SiO2包覆型铝粉或铬粉,量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解10~12小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:18~20;取片状铝粉或铬粉5~7克,取120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至38~43℃,并滴加192~205.5毫升乙醇稀释的正硅酸乙酯(TEOS)、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:30~32:0.5~0.75;加料完毕后,于38~43℃下反应4.5~5.5小时;反应产物经抽滤、洗涤和干燥,得到二氧化硅(SiO2)包覆型铝粉或铬粉。
镀层的真空扩散热处理:在真空炉中进行700~800℃、保温90~150分钟的扩散热处理,使Ni、Co、Al和Cr元素在镀层中均匀分布。
本发明一种电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层及其制备方法,它采用金属材料作基体,先将基体表面进行前处理,配制以硫酸镍、氯化钴、柠檬酸、柠檬酸三钠、硼酸、糖精为主要组分,以SiO2包覆型铝粉或铬粉为分散相的复合镀液,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为10~12分钟,通过合理设置电沉积参数,充分搅拌使铝粉、铬粉微粒均匀分散在镀液中,在施加电流状态下铝粉、铬粉微粒与基质金属镍钴发生共沉积,再经扩散热处理而得到抗高温氧化Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的技术方案;它显著提高了高温合金中抗氧化元素Al、Cr的含量,改善了现有Ni-Cr、Ni-Al和Ni-Cr-Al复合镀层的高温力学性能和高温抗氧化性能,克服了现有热喷涂或物理气相沉积等方法制备MCrAlY(M=Ni,Co,Fe或它们的合金)抗氧化涂层孔隙率高或沉积速率低、成本高等缺点。
本发明相比现有技术所产生的有益效果:
[1]本发明的Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层克服了现有热喷涂制备MCrAlY(M=Ni,Co,Fe或它们的合金)高温防护涂层孔隙率高,物理气相沉积等方法制备MCrAlY涂层沉积速率低、成本高等缺点,为多元多功能新型合金镀层的制备提供了新途径;
[2]本发明的Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层具有比现有Ni-Cr、Ni-Al和Ni-Cr-Al复合镀层更优良的高温力学性能和高温抗氧化性能;
[3]本发明采用溶胶-凝胶法对铝粉或铬粉微粒表面进行SiO2包覆修饰,可防止铝粉或铬粉微粒在酸性镀液中的溶解,减少或消除铝粉或铬粉微粒在镀液中的团聚,提高了镀液的稳定性和微粒在镀层中的均匀分布;
[4]本发明可获得Al、Cr含量高的Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,Al的含量(质量分数)最高可达28.93%,Cr的含量(质量分数)最高可达33.23%。并且可实现对Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的成分控制;
[5]本发明制备的Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层可节约高温合金中大量的镍、钴、铬等贵金属材料,降低零件的生产成本;
[6]本发明制备的Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层经700~800℃真空扩散热处理90~150分钟后,显著提高了镀层成分的均匀性,以及镀层与基体的界面结合强度;
[7]本发明制备的Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层在1100℃以下具有优良的抗氧化性能,可以作为航空、冶金、化工等行业高温环境下工作的耐热部件、压铸模具、结晶器、活塞等零部件工作表面的防护镀层;
[8]本发明的Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层经700~800℃真空扩散热处理90~150分钟后,在冷、热NaCl、HCl、H2SO4和NaOH腐蚀介质中均表现出优良的抗腐蚀性能,可以作为在腐蚀性介质中工作的零部件的表面防护镀层;
[9]本发明制备工艺简单、可靠,操作容易,利于工业化生产,且生产成本低,不污染环境,便于普及推广,商业前景广阔。
本发明电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层及其制备方法,适合作航空、冶金、热电、发动机等领域中在高温下工作的零部件的耐热、抗氧化镀层,也可作为化工、采矿等领域中在腐蚀性介质中工作的零部件的表面防腐镀层。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层制备工艺流程简图。
图(表)2为本发明所用耐热钢32Cr3Mo1V、不锈钢1Cr13和铬青铜QCr1.5基体材料的化学成分表。
图(表)3为本发明电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层实施例1-14中镀液的主要组成和工艺参数表。
图4为本发明实施例9电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的表面形貌。
图5为本发明实施例9电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层真空热处理后的表面形貌。
图6为本发明实施例9电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层真空热处理后的能谱图。
图7为本发明实施例9电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层在1000℃高温氧化20小时后的表面形貌。
图8为本发明实施例9电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层在1000℃高温氧化20小时后的截面形貌。
具体实施方式
总实施方式
结合图、表,本发明一种电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层及其制备方法,它采用金属材料作基体,先将基体表面进行前处理,配制以硫酸镍、氯化钴、柠檬酸、柠檬酸三钠、糖精为主要组分,以SiO2包覆型铝粉、铬粉为分散相的复合镀液,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为10~12分钟,将前处理好的基体表面活化后置入复合镀液中,通过合理设置电沉积工艺参数,充分搅拌使铝粉、铬粉微粒均匀分散在镀液中,在施加直流电流状态下铝粉、铬粉微粒与基质金属Ni、Co发生共沉积形成Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,最后将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到700~800℃,保温90~150分钟后,随炉冷却至室温,从炉内取出复合镀层试样,即为耐蚀、抗高温氧化Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层产品,其制备与操作步骤:
Ⅰ、工艺流程
选用金属材料耐热钢32Cr3Mo1V、不锈钢1Cr13和铬青铜QCr1.5作基体—基体材料表面前处理:去油、除锈、打磨、丙酮清洗—铝粉、铬粉微粒表面进行SiO2包覆修饰—配置Ni-Co-Al-Cr复合镀液—对镀液进行超声波分散处理—基体材料表面活化—电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层—真空扩散热处理—产品;
Ⅱ、操作步骤见实施例
实施例1
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,耐热钢32Cr3Mo1V表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①耐热钢32Cr3Mo1V表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠18g/L、碳酸钠28g/L、磷酸钠8g/L、OP-10乳化剂1.5ml/L体积分数;温度82℃;
②耐热钢32Cr3Mo1V表面的除锈处理,其配方为:硫酸100ml/L体积分数、六次甲基四胺10g/L质量分数,温度52℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的耐热钢32Cr3Mo1V打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铝粉微粒的表面修饰处理:取粒径为2μm的铝粉,用pH=11.5的NaOH溶液浸泡原料铝粉12分钟,再用无水乙醇溶解铝粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉洗涤4次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解12小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:18;取片状铝粉5g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至38℃,并滴加192克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:30:0.5。加料完毕后,于38℃下反应5.5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铝粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O60g/L、CoCl2·6H2O 4.0g/L,H3BO3 15g/L、柠檬酸50g/L、柠檬酸三钠20g/L、糖精0.6g/L,SiO2包覆型铝粉10g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对耐热钢32Cr3Mo1V表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为10分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度5A/dm2;pH为3.1,镀液温度为40℃,搅拌速度为150r/min。电沉积时间为3小时,镀层的平均沉积速度为15.8μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni78.05,Co 5.41,Al 15.57,Cr 0,Si 0.97;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到700℃,升温速度为5℃/分钟,保温150分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
实施例2
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,耐热钢32Cr3Mo1V表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①耐热钢32Cr3Mo1V表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠18.5g/L、碳酸钠28.5g/L、磷酸钠8.5g/L、OP-10乳化剂2ml/L体积分数;温度81℃;
②耐热钢32Cr3Mo1V表面的除锈处理,其配方为:硫酸102ml/L体积分数、六次甲基四胺10.5g/L质量分数,温度51℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的耐热钢32Cr3Mo1V打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铝粉微粒的表面修饰处理:取粒径为3μm的铝粉,用pH=11.58的NaOH溶液浸泡原料铝粉12.5分钟,再用无水乙醇溶解铝粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉洗涤5次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解11.5小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:19;取片状铝粉7g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至39℃,并滴加198.6克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:31:0.6。加料完毕后,于39℃下反应5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铝粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O70g/L、CoCl2·6H2O 4.5g/L,H3BO3 18g/L、柠檬酸52g/L、柠檬酸三钠18g/L、糖精0.7g/L,SiO2包覆型铝粉15g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对耐热钢32Cr3Mo1V表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为10.5分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度5.5A/dm2;pH为3.2,镀液温度为42℃,搅拌速度为160r/min。电沉积时间为3.5小时,镀层的平均沉积速度为16.9μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni78.05,Co 5.41,Al 15.57,Cr 0,Si 0.97;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到710℃,升温速度为5.5℃/分钟,保温145分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
实施例3
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,耐热钢32Cr3Mo1V表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①耐热钢32Cr3Mo1V表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠19g/L、碳酸钠29g/L、磷酸钠9g/L、OP-10乳化剂2.5ml/L体积分数;温度80℃;
②耐热钢32Cr3Mo1V表面的除锈处理,其配方为:硫酸104ml/L体积分数、六次甲基四胺11g/L质量分数,温度50℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的耐热钢32Cr3Mo1V打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铝粉微粒的表面修饰处理:取粒径为4μm的铝粉,用pH=11.65的NaOH溶液浸泡原料铝粉13分钟,再用无水乙醇溶解铝粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉洗涤6次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解11小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:20;取片状铝粉6g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至40℃,并滴加204.9克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:32:0.65。加料完毕后,于40℃下反应5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铝粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O80g/L、CoCl2·6H2O 5.0g/L,H3BO3 20g/L、柠檬酸54g/L、柠檬酸三钠16g/L、糖精0.8g/L,SiO2包覆型铝粉20g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对耐热钢32Cr3Mo1V表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为11分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度6A/dm2;pH为3.3,镀液温度为44℃,搅拌速度为170r/min。电沉积时间为4小时,镀层的沉积速度为18.9μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni 62.79,Co 7.86,Al 27.82,Cr 0,Si 1.53;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到720℃,升温速度为6℃/分钟,保温140分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
实施例4
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,耐热钢32Cr3Mo1V表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①耐热钢32Cr3Mo1V表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠19.5g/L、碳酸钠29.5g/L、磷酸钠9.5g/L、OP-10乳化剂2ml/L体积分数;温度79℃;
②耐热钢32Cr3Mo1V表面的除锈处理,其配方为:硫酸106ml/L体积分数、六次甲基四胺11.5g/L质量分数,温度49℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的耐热钢32Cr3Mo1V打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铬粉微粒的表面修饰处理:取粒径为3μm的铬粉,用pH=11.74的NaOH溶液浸泡原料铬粉13.5分钟,再用无水乙醇溶解铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铬粉洗涤5次,然后过滤、烘干,得到片状铬粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解10.5小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:18;取片状铬粉5g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至41℃,并滴加193.2克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:30:0.7。加料完毕后,于41℃下反应4.5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铬粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O90g/L、CoCl2·6H2O 5.5g/L,H3BO3 22g/L、柠檬酸56g/L、柠檬酸三钠14g/L、糖精0.9g/L,SiO2包覆型铬粉10g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对耐热钢32Cr3Mo1V表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为11.5分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度6.5A/dm2;pH为3.4,镀液温度为46℃,搅拌速度为180r/min。电沉积时间为4.5小时,镀层的沉积速度为20.4μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni 72.61,Co 8.93,Al 0,Cr 17.68,Si 0.78;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到730℃,升温速度为6.5℃/分钟,保温135分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
实施例5
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,耐热钢32Cr3Mo1V表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①耐热钢32Cr3Mo1V表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠20g/L、碳酸钠30g/L、磷酸钠10g/L、OP-10乳化剂1.5ml/L体积分数;温度78℃;
②耐热钢32Cr3Mo1V表面的除锈处理,其配方为:硫酸108ml/L体积分数、六次甲基四胺12g/L质量分数,温度48℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的耐热钢32Cr3Mo1V打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铬粉微粒的表面修饰处理:取粒径为4μm的铬粉,用pH=11.86的NaOH溶液浸泡原料铬粉14分钟,再用无水乙醇溶解铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铬粉洗涤4次,然后过滤、烘干,得到片状铬粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解10小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:19;取片状铬粉7g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至42℃,并滴加199.5克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:31:0.75。加料完毕后,于42℃下反应4.5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铬粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O100g/L、CoCl2·6H2O 6.0g/L,H3BO3 25g/L、柠檬酸58g/L、柠檬酸三钠12g/L、糖精1.0g/L,SiO2包覆型铬粉15g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对耐热钢32Cr3Mo1V表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为12分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度7.0A/dm2;pH为3.5,镀液温度为48℃,搅拌速度为190r/min。电沉积时间为5小时,镀层的沉积速度为21.8μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni 62.52,Co 9.40,Al 0,Cr 26.93,Si 1.15;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到740℃,升温速度为7℃/分钟,保温130分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
实施例6
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,耐热钢32Cr3Mo1V表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①耐热钢32Cr3Mo1V表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠20.5g/L、碳酸钠30.5g/L、磷酸钠9.5g/L、OP-10乳化剂2.0ml/L体积分数;温度80℃;
②耐热钢32Cr3Mo1V表面的除锈处理,其配方为:硫酸110ml/L体积分数、六次甲基四胺11.5g/L质量分数,温度49℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的耐热钢32Cr3Mo1V打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铬粉微粒的表面修饰处理:取粒径为5μm的铬粉,用pH=11.95的NaOH溶液浸泡原料铬粉14.5分钟,再用无水乙醇溶解铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铬粉洗涤6次,然后过滤、烘干,得到片状铬粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解10.5小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:20;取片状铬粉6g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至43℃,并滴加204克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:32:0.5。加料完毕后,于43℃下反应5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铝粉或铬粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O90g/L、CoCl2·6H2O 4.5g/L,H3BO3 22g/L、柠檬酸60g/L、柠檬酸三钠10g/L、糖精0.8g/L,SiO2包覆型铬粉20g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对耐热钢32Cr3Mo1V表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为11分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度7.5A/dm2;pH为3.3,镀液温度为50℃,搅拌速度为200r/min。电沉积时间为4.5小时,镀层的沉积速度为20.2μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni 58.83,Co 6.59,Al 0,Cr 33.23,Si 1.35;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到750℃,升温速度为6℃/分钟,保温125分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
实施例7
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,耐热钢32Cr3Mo1V表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①耐热钢32Cr3Mo1V表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠21g/L、碳酸钠31g/L、磷酸钠10g/L、OP-10乳化剂1.5ml/L体积分数;温度81℃;
②耐热钢32Cr3Mo1V表面的除锈处理,其配方为:硫酸102ml/L体积分数、六次甲基四胺10g/L质量分数,温度52℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的耐热钢32Cr3Mo1V打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铝粉或铬粉微粒的表面修饰处理:取粒径为6μm的铝粉或铬粉,用pH=12.04的NaOH溶液浸泡原料铝粉或铬粉15分钟,再用无水乙醇溶解铝粉或铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉或铬粉洗涤5次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉或铬粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解11小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:19;取片状铝粉或铬粉5g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至39℃,并滴加204.6克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:32:0.6。加料完毕后,于39℃下反应5.5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铝粉或铬粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O80g/L、CoCl2·6H2O 5.0g/L,H3BO3 20g/L、柠檬酸58g/L、柠檬酸三钠14g/L、糖精1.0g/L,SiO2包覆型铝粉20g/L,SiO2包覆型铬粉5g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对耐热钢32Cr3Mo1V表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为10.5分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度8A/dm2;pH为3.5,镀液温度为42℃,搅拌速度为210r/min。电沉积时间为4小时,镀层的沉积速度为19.7μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni 51.76,Co 7.74,Al 28.34,Cr 10.12,Si 1.54;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到760℃,升温速度为6.5℃/分钟,保温120分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
实施例8
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,耐热钢32Cr3Mo1V表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①耐热钢32Cr3Mo1V表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠21.5g/L、碳酸钠31.5g/L、磷酸钠8g/L、OP-10乳化剂2.5ml/L体积分数;温度82℃;
②耐热钢32Cr3Mo1V表面的除锈处理,其配方为:硫酸106ml/L体积分数、六次甲基四胺10.5g/L质量分数,温度51℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的耐热钢32Cr3Mo1V打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铝粉或铬粉微粒的表面修饰处理:取粒径为3μm的铝粉或铬粉,用pH=12.10的NaOH溶液浸泡原料铝粉或铬粉15.5分钟,再用无水乙醇溶解铝粉或铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉或铬粉洗涤4次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉或铬粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解10小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:20;取片状铝粉或铬粉7g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至40℃,并滴加204.9克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:32:0.65。加料完毕后,于40℃下反应5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铝粉或铬粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O70g/L、CoCl2·6H2O 5.5g/L,H3BO3 18g/L、柠檬酸56g/L、柠檬酸三钠18g/L、糖精0.8g/L,SiO2包覆型铝粉20g/L,SiO2包覆型铬粉10g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对耐热钢32Cr3Mo1V表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为12分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度6A/dm2;pH为3.3,镀液温度为44℃,搅拌速度为220r/min。电沉积时间为3.5小时,镀层的沉积速度为18.4μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni 44.71,Co 9.28,Al 25.93,Cr 18.45,Si 1.63;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到770℃,升温速度为6℃/分钟,保温115分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
实施例9
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,耐热钢32Cr3Mo1V表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①耐热钢32Cr3Mo1V表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠22g/L、碳酸钠32g/L、磷酸钠9g/L、OP-10乳化剂2ml/L体积分数;温度79℃;
②耐热钢32Cr3Mo1V表面的除锈处理,其配方为:硫酸108ml/L体积分数、六次甲基四胺11g/L质量分数,温度49℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的耐热钢32Cr3Mo1V打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铝粉或铬粉微粒的表面修饰处理:取粒径为4μm的铝粉或铬粉,用pH=12.16的NaOH溶液浸泡原料铝粉或铬粉16分钟,再用无水乙醇溶解铝粉或铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉或铬粉洗涤6次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉或铬粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解11.5小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:20;取片状铝粉或铬粉6g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至41℃,并滴加205.2克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:32:0.7。加料完毕后,于41℃下反应5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铝粉或铬粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O90g/L、CoCl2·6H2O 6.0g/L,H3BO3 25g/L、柠檬酸55g/L、柠檬酸三钠19g/L、糖精0.9g/L,SiO2包覆型铝粉20g/L,SiO2包覆型铬粉15g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对耐热钢32Cr3Mo1V表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为10分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度6.5A/dm2;pH为3.1,镀液温度为46℃,搅拌速度为230r/min。电沉积时间为4小时,镀层的沉积速度为19.4μm/h;该工艺条件下镀层的沉积速度较快,Al、Cr颗粒已镶嵌在Ni-Co基质镀层中,镀层表面平整,与基体结合紧密。其化学成分(质量分数,%):Ni43.06,Co 8.33,Al 22.57,Cr 24.36,Si 1.68;见附图4、附图5、附图6。
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到780℃,升温速度为7℃/分钟,保温110分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。该镀层在1000℃大气环境中氧化20小时,镀层表面形成了以Ni为主的Ni、Co、Al和Cr复合氧化层,氧化膜表面完整,与镀层基体结合紧密,见附图7、附图8,该镀层能有效地抵抗耐热钢32Cr3Mo1V基体发生高温氧化腐蚀。
实施例10
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,耐热钢32Cr3Mo1V表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①耐热钢32Cr3Mo1V表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠19g/L、碳酸钠30g/L、磷酸钠8.5g/L、OP-10乳化剂2.5ml/L体积分数;温度80℃;
②耐热钢32Cr3Mo1V表面的除锈处理,其配方为:硫酸110ml/L体积分数、六次甲基四胺10g/L质量分数,温度50℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的耐热钢32Cr3Mo1V打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铝粉或铬粉微粒的表面修饰处理:取粒径为2μm的铝粉或铬粉,用pH=12.25的NaOH溶液浸泡原料铝粉或铬粉14分钟,再用无水乙醇溶解铝粉或铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉或铬粉洗涤5次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉或铬粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解12小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:18;取片状铝粉或铬粉5g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至42℃,并滴加205.5克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:32:0.75。加料完毕后,于42℃下反应4.5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铝粉或铬粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O80g/L、CoCl2·6H2O 5.5g/L,H3BO3 22g/L、柠檬酸53g/L、柠檬酸三钠20g/L、糖精0.8g/L,SiO2包覆型铝粉5g/L,SiO2包覆型铬粉20g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对耐热钢32Cr3Mo1V表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为10.5分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度5A/dm2;pH为3.3,镀液温度为42℃,搅拌速度为240r/min。电沉积时间为3小时,镀层的沉积速度为17.4μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni 50.49,Co 7.84,Al 8.93,Cr 31.4,Si 1.34;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到790℃,升温速度为5.5℃/分钟,保温100分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
实施例11
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,耐热钢32Cr3Mo1V表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①耐热钢32Cr3Mo1V表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠20g/L、碳酸钠29.5g/L、磷酸钠9g/L、OP-10乳化剂1.5ml/L体积分数;温度82℃;
②耐热钢32Cr3Mo1V表面的除锈处理,其配方为:硫酸106ml/L体积分数、六次甲基四胺11.5g/L质量分数,温度52℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的耐热钢32Cr3Mo1V打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铝粉或铬粉微粒的表面修饰处理:取粒径为5μm的铝粉或铬粉,用pH=12.35的NaOH溶液浸泡原料铝粉或铬粉14.5分钟,再用无水乙醇溶解铝粉或铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉或铬粉洗涤4次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉或铬粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解10.5小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:19;取片状铝粉或铬粉6g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至40℃,并滴加193.2克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:30:0.7。加料完毕后,于40℃下反应5.5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铝粉或铬粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O90g/L、CoCl2·6H2O 4.5g/L,H3BO3 20g/L、柠檬酸50g/L、柠檬酸三钠15g/L、糖精0.7g/L,SiO2包覆型铝粉10g/L,SiO2包覆型铬粉20g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对耐热钢32Cr3Mo1V表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为11分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度7.5A/dm2;pH为3.5,镀液温度为44℃,搅拌速度为250r/min。电沉积时间为4小时,镀层的沉积速度为20.9μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni48.69,Co 6.58,Al 14.52,Cr 28.75,Si,1.46;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到800℃,升温速度为6.5℃/分钟,保温90分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
实施例12
基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,耐热钢32Cr3Mo1V表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①耐热钢32Cr3Mo1V表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠20.5g/L、碳酸钠31g/L、磷酸钠10g/L、OP-10乳化剂2.0ml/L体积分数;温度80℃;
②耐热钢32Cr3Mo1V表面的除锈处理,其配方为:硫酸108ml/L体积分数、六次甲基四胺12g/L质量分数,温度49℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的耐热钢32Cr3Mo1V打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铝粉或铬粉微粒的表面修饰处理:取粒径为6μm的铝粉或铬粉,用pH=12.4的NaOH溶液浸泡原料铝粉或铬粉15分钟,再用无水乙醇溶解铝粉或铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉或铬粉洗涤6次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉或铬粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解11小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:20;取片状铝粉或铬粉7g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至41℃,并滴加193.5克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:30:0.75。加料完毕后,于41℃下反应5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铝粉或铬粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O70g/L、CoCl2·6H2O 6.0g/L,H3BO3 15g/L、柠檬酸52g/L、柠檬酸三钠20g/L、糖精0.9g/L,SiO2包覆型铝粉15g/L,SiO2包覆型铬粉20g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对耐热钢32Cr3Mo1V表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为11.5分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度6A/dm2;pH为3.3,镀液温度为42℃,搅拌速度为180r/min。电沉积时间为3.5小时,镀层的沉积速度为19.2μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni 46.19,Co 8.26,Al 18.64,Cr 25.38,Si 1.53;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到740℃,升温速度为7℃/分钟,保温130分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
实施例13
基体材料为不锈钢1Cr13,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,不锈钢1Cr13表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①不锈钢1Cr13表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠21g/L、碳酸钠30g/L、磷酸钠9.5g/L、OP-10乳化剂1.5ml/L体积分数;温度82℃;
②不锈钢1Cr13表面的除锈处理,其配方为:硫酸104ml/L体积分数、六次甲基四胺11g/L质量分数,温度50℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的不锈钢1Cr13打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铝粉或铬粉微粒的表面修饰处理:取粒径为4μm的铝粉或铬粉,用pH=12.5的NaOH溶液浸泡原料铝粉或铬粉13.5分钟,再用无水乙醇溶解铝粉或铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉或铬粉洗涤5次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉或铬粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解11.5小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:20;取片状铝粉或铬粉5g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至42℃,并滴加199.5克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:31:0.75。加料完毕后,于42℃下反应4.5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铝粉或铬粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O90g/L、CoCl2·6H2O 5.5g/L,H3BO3 20g/L、柠檬酸56g/L、柠檬酸三钠16g/L、糖精0.8g/L,SiO2包覆型铝粉20g/L,SiO2包覆型铬粉15g/L;
⑥用体积比为H2SO4:HCl:HNO3:H2O=1:1:1:7的混合酸对不锈钢1Cr13表面进行活化处理,浸泡时间为30秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为10分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度6.5A/dm2;pH为3.2,镀液温度为45℃,搅拌速度为200r/min。电沉积时间为4.5小时,镀层的沉积速度为20.4μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni46.17,Co 7.12,Al 20.48,Cr 24.65,Si,1.58;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到750℃,升温速度为6℃/分钟,保温125分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
实施例14
基体材料为铬青铜QCr1.5,化学成分见图(表),试样尺寸为:20mm×12mm×2mm,铬青铜QCr1.5表面Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层的制备操作步骤:
①铬青铜QCr1.5表面去油处理,其配方为质量分数:氢氧化钠22g/L、碳酸钠31g/L、磷酸钠10g/L、OP-10乳化剂2.5ml/L体积分数;温度80℃;
②铬青铜QCr1.5表面的除锈处理,其配方为:硫酸100ml/L体积分数、六次甲基四胺12g/L质量分数,温度52℃;
③用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的铬青铜QCr1.5打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
④铝粉或铬粉微粒的表面修饰处理:取粒径为3μm的铝粉或铬粉,用pH=12.45的NaOH溶液浸泡原料铝粉或铬粉16分钟,再用无水乙醇溶解铝粉或铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉或铬粉洗涤6次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉或铬粉;
量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液(75%体积分数)中预水解12小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:18;取片状铝粉或铬粉7g,120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至40℃,并滴加199.2克乙醇稀释的TEOS、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:31:0.7。加料完毕后,于40℃下反应4.5h。反应产物经抽滤、洗涤和干燥,获得SiO2包覆型铝粉或铬粉;
⑤配置镍-钴-铝-铬复合镀液:每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O80g/L、CoCl2·6H2O 5.0g/L,H3BO3 18g/L、柠檬酸58g/L、柠檬酸三钠14g/L、糖精1.0g/L,SiO2包覆型铝粉20g/L,SiO2包覆型铬粉20g/L;
⑥用体积浓度为50%HCl溶液对铬青铜QCr1.5表面进行活化处理,浸泡时间为20秒;
⑦电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:施镀前,将复合镀液在超声波振动器内进行超声分散处理,处理时间为12分钟;用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启直流电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:平均电流密度7A/dm2;pH为3.1,镀液温度为43℃,搅拌速度为200r/min。电沉积时间为5小时,镀层的沉积速度为19.4μm/h;该工艺条件下镀层的化学成分(质量分数,%):Ni47.22,Co 7.39,Al 20.14,Cr 23.62,Si,1.63;
⑧真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空炉中,随炉升温到760℃,升温速度为6.5℃/分钟,保温120分钟,随炉冷却至室温后取出,得到热处理后Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层。
结合附图,本发明的结构原理及功能:经本发明电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层制备方法获得的Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,对其形貌进行观察、成分分析及性能测试,其结果是:用凝胶-溶胶法对原料铝粉、铬粉进行表面SiO2包覆及超声波分散处理后,可防止铝粉、铬粉微粒在酸性镍钴镀液中的溶解和团聚,提高了镀液的稳定性;复合镀层表面较平整,与基体金属结合紧密,经700~800℃真空扩散热处理90~150分钟后,镀层成分趋于均匀,进一步提高了镀层与基体金属的连接强度。能谱分析结果表明,Al含量(质量分数)最高可达28.34%,Cr含量(质量分数)最高可达33.23%。Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层经扩散热处理后,在900、1000℃大气环境中高温氧化20小时,镀层表面形成了以Ni为主的Ni、Co、Al和Cr的复合氧化层,在1100℃大气环境中高温氧化20小时,镀层表面形成了以Al或Cr为主的连续Al2O3或Cr2O3氧化膜;其氧化膜完整、致密,与镀层基体结合紧密;而耐热钢32Cr3Mo1V和不锈钢1Cr13在900℃大气环境中连续氧化不到6小时,合金表面就产生严重的氧化物剥落,说明Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层能有效地保护耐热钢32Cr3Mo1V、不锈钢1Cr13基体材料免于高温氧化腐蚀,表现出优良的抗高温氧化能力。Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层材料可以应用于航空、化工、热能和发动机等领域中高温工作的耐热部件、压铸模具、结晶器、活塞等零部件工作表面的防护镀层。
Claims (5)
1.一种电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,其特征在于用金属材料作基体,先将基体表面进行前处理,配制以硫酸镍、氯化钴为主要组分、以铝粉和铬粉为分散相的复合镀液,将前处理好的基体经表面活化后置入复合镀液中,进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,再经真空扩散热处理得到Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,其制备与操作步骤如下:
Ⅰ、工艺流程
选用金属材料作基体—基体材料表面前处理:去油、除锈、打磨、丙酮清洗—铝粉、铬粉的表面修饰—配置镍-钴-铝-铬复合镀液—对镀液进行超声波分散处理—基体材料表面活化—电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层—真空扩散热处理—产品;
Ⅱ、操作步骤
①用金属材料作基体,备用;
②基体的去油处理,其配方质量分数为:氢氧化钠 18~22 g/L、碳酸钠28~32 g/L、磷酸钠8~10 g/L、OP-10乳化剂1.5~2.5ml/L体积分数,温度78~82℃;
③基体的除锈处理,其配方为:硫酸100~110 ml/L体积分数、六次甲基四胺10~12 g/L质量分数,温度48~52 ℃;
④用180#、360#、600#砂纸依次对去油除锈处理后的基体打磨,再用丙酮对基体表面进行超声波清洗,烘干备用;
⑤铝粉、铬粉的表面修饰处理:
⑤-1取粒径为2~6μm的铝粉或铬粉,用pH=11.5~12.5的氢氧化钠(NaOH)溶液浸泡铝粉或铬粉12~16分钟,再用无水乙醇溶解铝粉或铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉或铬粉洗涤4~6次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉或铬粉;
⑤-2量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液中预水解10~12小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:18~20;取片状铝粉或铬粉5~7克,取120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至38~43℃,并滴加192~205.5毫升乙醇稀释的正硅酸乙酯(TEOS)、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:30~32:0.5~0.75;加料完毕后,于38~43℃下反应4.5~5.5小时;反应产物经抽滤、洗涤和干燥,得到二氧化硅(SiO2)包覆型铝粉或铬粉;
⑥ 配置镍-钴-铝-铬复合镀液,每升镀液中各成分的含量质量分数为:NiSO4·6H2O 60~100g/L、CoCl2 ·6H2O 4~6 g/L、H3BO3 15~25g/L、柠檬酸50~60g/L、柠檬酸三钠10~20g/L、糖精0.6~1.0 g/L;SiO2包覆型铝粉0~20 g/L;SiO2包覆型铬粉0~20 g/L;用体积浓度为10%H2SO4或质量浓度为10%NaOH溶液调节复合镀液的pH值至3.1~3.5,然后,用去离子水将复合镀液加到500毫升;
⑦ 基体材料活化;
⑧电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层:
⑧-1将已配置的复合镀液加热,温度控制在40~50℃;
⑧-2施镀前,将复合镀液置于超声波振动器内进行超声振动分散处理,时间为10~12分钟;
⑧-3用电解镍作为阳极,将活化处理好的基体材料与阴极连接置于复合镀液中;开启电源,采用控制电流方式进行电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,电沉积工艺参数为:电流密度5~8A/dm2,施镀时间为3~5小时;
⑧-4施镀过程中,用电动搅拌器进行连续搅拌,搅拌速度为150~250r/min,使铝粉和铬粉充分悬浮在镀液中;
⑨真空扩散热处理:将电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试样放置于真空电阻炉中,随炉升温到700~800℃,升温速度为5~7℃/分钟,保温90~150 分钟,随炉冷却至室温;
⑩从炉内取出Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层试件,即为Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层产品。
2.根据权利要求1所述的电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,其特征在于基体材料为耐热钢32Cr3Mo1V、不锈钢1Cr13或铬青铜QCr1.5。
3.根据权利要求1所述的电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,其特征在于铝粉、铬粉的表面除油、除脂:用pH=11.5~12.5的NaOH溶液浸泡铝粉或铬粉12~16分钟,再用无水乙醇溶解铝粉或铬粉表面的矿物油、硬脂酸;用去离子水对铝粉或铬粉洗涤4~6次,然后过滤、烘干,得到片状铝粉或铬粉。
4.根据权利要求1所述的电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,其特征在于铝粉或铬粉的表面修饰:用凝胶-溶胶法制备SiO2包覆型铝粉或铬粉,量取10毫升KH550硅烷偶联剂在乙醇溶液中预水解10~12小时,KH550与乙醇溶液体积比为1:18~20;取片状铝粉或铬粉5~7克,取120毫升KH550和乙醇溶液加入到反应容器中,搅拌均匀后升温至38~43℃,并滴加192~205.5毫升乙醇稀释的正硅酸乙酯(TEOS)、水和乙二胺的混合液,TEOS、水和乙二胺的质量分数比为1.5:30~32:0.5~0.75;加料完毕后,于38~43℃下反应4.5~5.5小时;反应产物经抽滤、洗涤和干燥,得到二氧化硅(SiO2)包覆型铝粉或铬粉。
5.根据权利要求1所述的电沉积Ni-Co-Al-Cr高温复合镀层,其特征在于镀层的真空扩散热处理:在真空炉中进行700~800℃、保温90~150 分钟的扩散热处理,使Ni、Co、Al和Cr元素在镀层中均匀分布。
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