鎳基納米鍍層的研究進展

王婷婷 耿亞恒 于歡

【摘 要】鎳基納米鍍層具有更為致密的組織結構和優良的綜合性能，受到廣大研究者的關注。本文介紹了鎳基納米鍍層的形成及鍍層制備工藝，綜述了鎳基納米復合鍍層和鎳基合金納米鍍層的研究現狀，分析了鎳基納米鍍層在現階段發展中存在的問題，解決納米顆粒復合含量以及分散等難題將推動鎳基納米鍍層的進一步研究。

【關鍵詞】鎳基；納米鍍層；脈沖電沉積；性能

鎳基納米鍍層一般是在鍍液中添加非水溶性的納米顆粒，將納米顆粒與鎳基進行共沉積而得到的鍍層，不僅保留了兩者各自的優點而且克服了各自的缺點。電沉積和化學鍍是兩種比較常用的鍍層制備的方法，由于電沉積方法的操作簡單、沉積層致密、鍍層成分易控制、成本低、對環境友好等特點而廣泛應用[1]。本文介紹了鍍層的形成及制備工藝，綜述了鎳基納米鍍層的研究進展。根據對鍍層的不同性能要求，選擇適當的納米顆粒進行電鍍，一些研究指出，由于具有較高的硬度，良好的耐蝕、耐磨性，抗高溫氧化性及清潔性等，已成為納米復合電鍍的主要技術方向，其在表面工程及再制造領域的應用也備受關注。

1、鎳基納米鍍層的制備

在鍍液中添加非水溶性的納米微粒，通過復合電鍍實現納米顆粒的彌散分布，鎳離子被還原成化學反應活性高的吸附態鎳原子，與納米顆粒的相互作用使吸附態鎳原子嵌入金屬晶格變得更加容易。鍍液中添加的納米顆粒同時成為位錯和晶界運動的障礙，發揮出彌散強化、細晶強化和位錯強化的強化結合效果改善鍍層的綜合性能，從而獲得所需性能的鎳基納米鍍層。

脈沖電沉積法（PC）制備的鍍層晶粒更細小、均勻，成為近些年來的鍍層制備工藝研究的重點，梁桂強等[2]分別用直流電沉積（DC）、PC制備Ni-SiC鍍層，發現PC鍍層晶粒細小，晶界緊湊，沒有明顯的團聚現象。當采用PC和超聲波的協同作用時，基體與納米顆粒間的傳質增強，鎳晶核的生長速率降低，提高形核率。夏法鋒等[3]發現超聲波-PC制備的Ni-TiN鍍層顯微組織比其他沉積方式制得的鍍層更為致密、光滑，耐蝕性更好。陰極表面的金屬離子消耗之后，不斷交替的脈沖電流使得鍍層表面的離子濃度能夠及時得到恢復，有效地消除濃差極化，鍍層中晶粒更加細化、晶界排列更緊湊、鍍層表面平整，有利于提高質量與性能。

2、鎳基納米鍍層的研究現狀

目前的鎳基納米鍍層是基于電化學，結合電結晶和強化理論，使一種或多種不溶性的納米尺寸顆粒與金屬粒子產生共沉積，納米顆粒被包裹在鎳基質中，依據性能要求的不同，選擇適當的納米顆粒或其組合復合電鍍，主要組合見表1。

2.1 鎳基納米復合鍍層

由于納米顆粒優異的性能，研究者廣泛研究了納米顆粒與金屬復合電沉積行為及其所得納米復合鍍層的性質，納米復合電鍍技術已成為表面技術的研究熱點。

史芳芳等[4]用雙向PC法制備出Ni-Co-SiC復合鍍層，溫度為50℃，頻率為20Hz，逆向脈沖系數為0.3時，SiC分散均勻，結晶更細小均勻，鍍層表面平整，隨SiC微粒的復合引入，鍍層的全浸腐蝕速率明顯降低，且SiC的復合與雙向PC法結合使鍍層的耐蝕性得到明顯提高。

將具備抗高溫氧化性的納米顆粒在表面與鎳基共沉積，形成抗高溫氧化性鍍層，納米微粒在鍍層中有效阻礙位錯運動，改善鍍層應力狀況。Wang等[5]研究了Ni-Y2O3在900℃的高溫氧化影響，同條件下制備具有和不具有CeO2鍍層的鎳基底作為對比，結果表明，Y2O3/CeO2鍍層導致Ni的氧化速率顯著降低，前者更為明顯，但基本不影響氧化機制，鍍層厚度對氧化速率的影響也不顯著。

2.2 鎳基合金納米鍍層

鎳基合金納米鍍層的研究擴大了鍍層范圍，但是鎳基合金納米鍍層的研究相對較難，獲得實際應用的只是一小部分。

2.2.1 Ni-Fe合金納米鍍層

鐵鎳性質相近，其鍍層是研究最早最多的合金鍍層。與純鎳鍍層相比，Ni-Fe合金鍍層具有較低的矯頑力，廣泛應用于微齒輪、開關等諸多領域。黃清明等[6]用可溶性陽極電刷鍍技術制備不同鐵鎳比例鍍層，發現鐵含量的增加影響鍍層的晶粒取向，鐵含量大時鍍層的晶胞增大，晶格畸變大，導致鍍層的硬度和耐磨性增大。雖然成本低，但因Fe2+極易氧化，鍍層不易控制而應用受限，如果Fe2+穩定性問題能夠得到解決，鎳鐵合金及其納米復合電鍍技術將有廣闊的應用前景。

2.2.2 Ni-Co合金納米鍍層

鎳鈷合金鍍層優異的性能使其應用廣泛，但由于溶液中雜質吸附、尖端放電等影響，鍍層晶粒通常粗大，易呈現針孔、麻點等缺陷，而Ni-Co鍍層則在原有基礎上調整了鍍層缺陷，提高了硬度、耐磨和耐腐蝕等性能。汪笑鶴等[7]采用電刷鍍技術制備Ni-Co/Al2O3鍍層，XRD檢測表明納米微粒的加入降低晶粒尺寸，但對鍍層結構影響不大，該鍍層室溫下形貌良好且硬度和耐磨性能都明顯優于硬鉻鍍層，高溫下該鍍層還具備與硬鉻鍍層相同的抗高溫氧化性能。通過調整鍍液成分和工藝參數，可以得到任意比例的鎳鈷合金納米鍍層，獲得不同的性能。

3、結語

納米復合鍍層無論是晶粒大小、致密度，還是耐蝕性、抗高溫性都優于普通鍍層，但因為影響鍍層中納米顆粒的因素眾多，鍍層強化機制各異，因此仍有大量工作亟待開展：1）鍍層中納米顆粒復合含量問題，限制了鍍層在特殊條件下的應用，影響了鍍層性能的提高。嘗試制備較寬范圍復合量的納米復合鍍層，通過改變鍍層納米顆粒含量來控制鍍層性能，是今后的研究重點。2）對納米微粒的分散還未得到很好解決，需對納米微粒的結構和性質進一步研究，也要對分散劑進行優化。此外，多粒子納米復合鍍層或具有其他特殊功能的納米復合刷鍍層必將得到更多的研究和關注。

【參考文獻】

[1] 徐劍剛，余新泉.電沉積納米晶鎳的研究現狀及展望[J].材料導報，2006，20（S1）：30-33.

[2] 梁桂強，崔立功，朱永永，等.制備方法對 Ni-SiC鍍層摩擦學性能的影響[J].功能材料，2014， 45（15）：1511-1513.

[3] 夏法鋒，田濟語，許秀英.沉積方式對Ni-SiC鍍層形貌和性能的影響[J].黑龍江科學， 2016，7（6）：13-15.

[4] 史芳芳，費敬銀，陳居田，等.雙向脈沖電沉積SiC/Ni-Co復合鍍層及其耐蝕性[J]. 材料保護，2016，49（2）：42-45.

[5] Wang Y D， Li Bairu. Influence of superflicial Y2O3 coatings on high- temperature oxidation of Ni[J]. Rare Metal Metarials and Engineer- ing，2015，44（6）：1331-1334.

[6] 黃清明.Fe-Ni納米合金鍍層結構的XRD表征[J].福州大學學報：自然科學版， 2011（3）：450-454.

[7] 汪笑鶴，徐濱士，胡振峰，等.電刷鍍n-Al2O3/Ni-Co鍍層組織與性能的研究[J].電鍍與環保，2010，30（6）：12-16.