CN105951132A

CN105951132A - 一种亚微米尺度双峰超细晶镍材料的电化学沉积制备方法

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Publication number: CN105951132A
Application number: CN201610336747.3A
Authority: CN
Inventors: 刘颖; 张倩; 刘永胜; 张彩丽; 王剑; 吴艳霞; 韩培德
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2036-05-20
Also published as: CN105951132B

Abstract

本发明涉及超细晶块体金属材料的制备，具体是一种具有亚微米尺度晶粒双峰分布的超细晶镍及其制备方法；所要解决的技术问题是提供一种强度与塑性匹配性好、制备工艺简单的亚微米尺度双峰超细晶镍材料；制备方法为：利用直流电沉积技术，电解液选用Ni₂SO₄、NiCl₂、H₃BO₃、润湿剂溶液：加配去离子水溶液，溶液PH值在3.5～4.5之间，电沉积阳极为纯镍板，阴极为不锈钢片或铜片；电沉积工艺参数为：直流电沉积，电流密度0.1～5 A/dm2，阴极和阳极之间的距离为4～8 cm，阴极、阳极面积比为3～6：2，电解液温度为45～55℃，电解过程中采用磁力搅拌或惰性气体搅拌方式。

Description

一种亚微米尺度双峰超细晶镍材料的电化学沉积制备方法

技术领域

本发明涉及超细晶块体金属材料的制备，具体是一种具有亚微米尺度晶粒双峰分布的超细晶镍及其制备方法。

背景技术

金属结构材料的强度与塑性一般呈倒置关系，如何在提高强度的同时保持其良好的塑性，一直是金属材料研究和开发面临的挑战性科学问题。研究表明，通过对材料微观结构的多级构筑，比如制备多尺度微观组织（双峰、多峰晶粒尺寸分布）、层片结构、梯度结构等，能够消除或弱化强度和塑性的倒置关系，并提高材料的综合力学性能，从而充分发挥金属结构材料的应用价值。但考虑到材料性能的调控效果和制备技术的易行性，在诸多的微观构型中，双峰晶粒尺寸分布的组织结构具有较高的实用性，引起了国内外研究者们的广泛关注。

双峰镍材料是一种将粗晶嵌入到纳米晶或超细晶镍基体中得到的复合结构，其晶粒尺寸服从统计学中的双峰分布，纳米/超细晶赋予材料高的强度，粗晶则用于提高塑韧性，从而获得高强度与高韧性兼备的多尺度镍合金。近些年来，很多研究者在双峰镍材料的制备和力学性能方面做了大量的工作，例如，Zhao等采用低温球磨和锻造相结合的方法制备了超细晶双峰镍材料，在应变速率10^-3下的强度为312 MPa，延伸率达到49%（Y.H. Zhao, T. Topping, J.F. Bingert, J.J. Thornton, A.M. Dangelewicz, Y. Li, W. Liu, Y.T. Zhu, Y.Z. Zhou, E.J. Lavernia, High tensile ductility and strength in bulk nanostructured nickel, Advanced Materials, 20 (2008) 3028）；Shen 等用直流电沉积结合退火处理制备了双峰纳晶镍，表现出约为1440-1916 MPa的高极限强度和5.6%-11.3% 的延展性（X.X. Shen, J.S. Lian, Z.H. Jiang, Q. Jiang, High strength and high ductility of electrodeposited nanocrystalline Ni with a broad grain size distribution, Materials Science Engineering: A, 487 (2008) 410）；T. Qian等采用塑性变形和低温退火制备了纳米晶/超细晶双峰镍，其强度和延伸率分别为730 MPa和3%（T. Qian, I. Karaman, M. Marx, Mechanical properties of nanocrystalline and ultrafine-grained nickel with bimodal microstructure, Advanced Engineering Materials, 16 (2014) 1323-1339）。然而，从目前已公开的报道来看，双峰镍主要通过对纳米晶或粗晶镍的多步处理得到，其制备工艺复杂、组织可控性差、成本高。如何实现双峰镍的有效、低成本可控制备，已成为双峰金属材料应用亟待解决的重要课题。

电化学沉积技术是制备纳米晶镍块体材料的有效手段之一，它可以使用传统的或稍加改性的电镀液，在低温液相条件下制备出具有不同尺度的晶粒，并且所得到的块体材料致密度高、尺寸与形状可控、费用相对低廉，易进行大规模生产。因此，如果能采用电化学沉积技术制备双峰晶粒尺寸分布的镍材料，势必将为高性能镍材料的研究与应用带来广阔的空间。从目前的研究进展来看，电化学沉积技术大都用于制备单一尺度晶粒分布的块体镍材料（如宽晶粒分布的纳米晶、超细晶和微米晶等），仅有连建设等采用直流电沉积法制备了双峰纳米晶镍材料。该材料由晶粒尺寸分布在10～30 nm、150～300 nm的等轴纳米晶和超细晶镍组织构成，在应变速率1.04×10^-4～1.04 s^-1 时表现出约1200 MPa的高强度和5.4%～8.3%的延伸率（C.D. Gu, J.S. Lian, Z.H. Jiang, Q. Jiang, Enhanced tensile ductility in an electrodeposited nanocrystalline Ni, Script Materialia, 54 (2006) 579-584）。尽管该双峰纳米镍材料能够表现出高的强度，但其晶粒尺寸小、分布窄，而且纯度低（约为99.8%），含有S、C、B等杂质，极大地影响了材料塑性性能的提升。并且，该技术所得的纳米镍材料，并不是严格意义的双峰材料，双峰或多峰指的是组成材料的晶粒的尺寸分布整体呈现双峰或多峰。但是该技术的150-300nm尺寸的结构实际对应的是纳米结构Ni的TEM照片中所示的团簇尺寸。其实际晶粒尺寸基本分布在5-80nm的范围。部分晶粒聚集成团簇，导致所得的纳米镍材料呈现“双峰”的假象。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种强度与塑性匹配性好、制备工艺简单的亚微米尺度双峰超细晶镍材料。

本发明所述的双峰超细晶镍材料是指所制备出的镍材料的微观结构是由服从统计学中双峰分布的近等轴亚微米级和微米级晶粒组成，晶粒尺寸分别分布在0.2～0.9 μm和1～6 μm之间。其微观结构由0.2 μm到0.9 μm的超细晶和1 μm到6 μm的粗晶组成，亚微米级超细晶晶粒占整个样品晶粒数量的50%～70%。

本发明所述的双峰超细晶镍材料在室温、变形速率时的抗拉强度可以达到400～850 MPa，断裂强度为350～750 MPa，延伸率可以达到8%～25%。

本发明所述的具有双峰晶粒尺寸分布的超细晶镍的制备方法为：利用直流电沉积技术，电解液选用200～250 g/L Ni₂SO₄、25～35 g/L NiCl₂、30～40 g/L H₃BO₃、10～20 mg/L 润湿剂（如十二烷基硫酸钠、十二烷基苯硫酸钠等）溶液：加配去离子水溶液，溶液PH值在3.5～4.5之间，电沉积阳极为纯镍板，阴极为不锈钢片或铜片；电沉积工艺参数为：直流电沉积，电流密度0.1～5 A/dm²，阴极和阳极之间的距离为4～8 cm，阴极、阳极面积比为3～6：2，电解液温度为45～55 ℃，电解过程中采用磁力搅拌或惰性气体搅拌方式。

本发明具有以下优点：

原材料种类少，制备工艺简单。本发明改进传统的Watts镀液组成，在不添加任何晶粒细化剂（如糖精）和光亮剂（如1,4-丁炔二醇），并降低镍盐和润湿剂使用量的条件下，利用直流电沉积工艺制备出等轴超细晶和粗晶组成的双峰晶粒尺寸分布超细晶镍材料，该双峰镍组织可以从基底上剥离下来作为块体材料使用，晶粒尺寸、超细晶/粗晶数量比也可以通过控制沉积电流密度和调节电解液组成来进行调控。

亚微米尺度的双峰组织结构。本发明首次采用直流电沉积技术制备出亚微米尺度的双峰超细晶镍材料，其微观组织由亚微米和微米尺度的超细晶镍组成，而目前电化学沉积制备只能制备出纳米晶与超细晶组成的双峰组织。

力学性能优异。本发明所述的双峰镍材料室温拉伸性能显示出优异的力学性能，在变形速率为1.67×10^-2 时，抗拉强度可以达到400～850 MPa，断裂强度为350～750 MPa，延伸率可以达到8%～25%，能够实现镍材料强度与塑性的匹配，能应用于实际工业生产。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明电化学沉积制备的具有双峰晶粒尺寸分布的超细晶镍材料的X射线衍射谱图。

图2为本发明电化学沉积制备的具有双峰晶粒尺寸分布的超细晶镍材料的EBSD照片与晶粒尺寸统计分布图。

图3为室温条件下，本发明所制备的具有双峰晶粒尺寸分布的超细晶镍材料的应力-应变曲线。

图4为本发明所制备的具有双峰晶粒尺寸分布的超细晶镍材料断口的SEM照片。

图5为比较例中的连建设课题组所制备的双峰纳米晶镍材料的TEM照片和晶粒尺寸统计图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

1）利用直流电沉积技术制备双峰晶粒尺寸分布的超细晶镍材料

电解沉积设备：直流电源 + 电解池

电解液配比：200 g/L Ni₂SO₄+ 30 g/L NiCl₂+ 35 g/L H₃BO₃+ 10 mg/L十二烷基硫酸钠，配电解液所用溶剂为去离子水，电解液酸度为：PH=4.0；

阴、阳极要求：阳极为99.97%的纯镍板，阴极为经过除油、酸洗处理的304不锈钢片；

2）电沉积工艺参数：电流密度为2 A/dm²，直流方式电镀；沉积时间为24 h，阴极、阳极面积比为3：2，间距为5 cm；电解液温度50℃，电解液采用磁力搅拌方式；

3）制备出具有双峰晶粒尺寸分布的超细晶镍材料。

图1为该双峰组织的X射线衍射图，从突出可以看出电化学沉积制备的双峰镍材料结晶性好，未出现明显的择优取向生长；图2为该双峰镍材料的EBSD照片和晶粒尺寸统计图，可以看出样品由近等轴的亚微米晶和微米晶组成，统计结果显示其晶粒尺寸分布在0.2～0.9 μm和1～5.7 μm之间，样品中亚微米尺度的超细晶数量占整个样品的64%；图3为该双峰镍材料在室温下的应力-应变曲线，从图中可以看出，当拉伸速率1.67×10^-2时，样品的抗拉强度可以达到540 MPa，断裂强度为570 MPa，延伸率可以达到21.8%；图4为该双峰镍材料断口的SEM照片，可以看出样品的断裂方式为韧性断裂，尺寸在微米级的韧窝均匀分布于断口上。

实施例2

电解沉积设备：直流电源 + 电解池

电解液配比：250 g/L Ni₂SO₄+ 35 g/L NiCl₂+ 35 g/L H₃BO₃+ 15 mg/L 十二烷基硫酸钠，配电解液所用溶剂为去离子水，电解液酸度为：PH=3.5；

阴、阳极要求：阳极为99.97%的纯镍板，阴极为经过除油、酸洗处理的铜片；

2）电沉积工艺参数：电流密度为1.5 A/dm²，直流方式电镀；沉积时间为36 h，阴极、阳极面积比为2：1，间距为4 cm；电解液温度55 ℃，电解液采用磁力搅拌方式；

3）制备出具有双峰晶粒尺寸分布的超细晶镍材料。

该双峰镍材料由近等轴的亚微米晶和微米晶组成，统计结果显示其晶粒尺寸分布在0.2～0.9 μm和1～6 μm之间，样品中亚微米尺度的超细晶数量占整个样品的56%；图3为该双峰镍材料在室温下的应力-应变曲线，从图中可以看出，当拉伸速率1.67×10^-2时，样品的抗拉强度可以达到720 MPa，断裂强度为660 MPa，延伸率可以达到15.4%。

实施例3

电解沉积设备：直流电源 + 电解池

电解液配比：250 g/L Ni₂SO₄+ 35 g/L NiCl₂+ 35 g/L H₃BO₃+ 10 mg/L十二烷基硫酸钠，配电解液所用溶剂为去离子水，电解液酸度为：PH=4.5；

阴、阳极要求：阳极为99.97%的纯镍板，阴极为经过除油、酸洗处理的不锈钢片；

2）电沉积工艺参数：电流密度为1 A/dm²，直流方式电镀；沉积时间为48 h，阴极、阳极面积比为2：1，间距为8 cm；电解液温度45 ℃，电解液采用磁力搅拌方式；

3）制备出具有双峰晶粒尺寸分布的超细晶镍材料。

该双峰镍材料由近等轴的亚微米晶和微米晶组成，统计结果显示其晶粒尺寸分布在0.2～0.9 μm和1～6 μm之间，样品中亚微米尺度的超细晶数量占整个样品的45%；该样品在室温、拉伸速率1.67×10^-2时的抗拉强度可以达到810 MPa，断裂强度为770 MPa，延伸率可以达到12.6%。

比较例

吉林大学的连建设课题组采用直流电沉积法制备出了双峰晶粒尺寸分布的纳米晶镍材料，电解液组成为280 g/L Ni₂SO₄、15 g/L NiCl₂、35 g/L H₃BO₃、适量的添加剂（1,4-丁炔二醇、十二烷基苯硫酸钠、糖精），PH值为5.0，阳极为99.97% 的纯镍板，阴极为低碳钢板；电沉积工艺参数为：直流电沉积，电流密度2.0～3.0 A/dm²，阴极和阳极之间的距离为4～8 cm，电解液温度采恒温水浴箱加热，保持在50 ℃。该材料由晶粒尺寸分布在10～30 nm、150～300 nm之间的纳米晶和超细晶镍组成，在应变速率1.04×10^-4～1.04 s^-1 时表现出约1200 MPa的高强度和5.4%～8.3%的延伸率（C.D. Gu, J.S. Lian, Z.H. Jiang, Q. Jiang, Enhanced tensile ductility in an electrodeposited nanocrystalline Ni, Script Materialia, 54 (2006) 579-584；谷长栋, 电沉积纳米结构镍及镍钴合金的微观结构和力学性能, 吉林大学, 博士论文, 2007）。该双峰纳米晶镍材料的强度高，塑性性能低，并且含有少量的S、C、B等杂质。如图5所示，对比例的方法所得的纳米镍材料，其实际晶粒尺寸基本分布在5-80nm的范围，晶粒统计呈现为单峰状态。在该论文中所述的150-300nm尺寸的结构实际对应的是纳米结构Ni的TEM照片中所示的团簇尺寸。部分晶粒聚集成团簇，导致所得的纳米镍材料呈现“双峰”的假象，并不是严格意义的双峰材料。

本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何变化，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims

1.一种亚微米尺度双峰超细晶镍材料的电化学沉积制备方法，其特征在于：电沉积工艺参数为：直流电沉积，电流密度0.1～5 A/dm²，阴极和阳极之间的距离为4～8 cm，阴极、阳极面积比为3～6：2，电解液温度为45～55 ℃，电解过程中采用200～500 rpm 的磁力搅拌或机械搅拌；

所述电解液组成为：Ni₂SO₄ 200～250 g/L、NiCl₂ 25～35 g/L、H₃BO₃ 30～40 g/L、添加剂10～20 mg/L，溶剂为去离子水，电解液pH值在3.5～4.5之间；

阳极为纯镍板，阴极为不锈钢片或铜片。

2.根据权利要求1所述的亚微米尺度双峰超细晶镍材料的电化学沉积制备方法，其特征在于：所述添加剂为阴离子型润湿剂十二烷基硫酸钠或十二烷基苯硫酸钠，电解液的PH值采用NaOH或HCl溶液调节。

3.根据权利要求1所述的方法制备出的亚微米尺度双峰超细晶镍材料，其特征在于：所述双峰镍材料的微观组织结构由晶粒尺寸0.2～0.9 μm的近等轴超细晶和1～6 μm的粗晶组成，亚微米级晶粒占整个材料晶粒数量的50%～70%。