【摘 要】
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随着科技水平的不断提高,机械、化工、石油、军事等领域对金属材料的性能提出了更高的要求。目前,金属表面涂覆复合镀层是提升金属材料表面性能的有效途径之一。相较于单一金属材料而言,复合镀层兼具基质金属与陶瓷颗粒的综合特性。通过在镀液中添加不同种类的纳米粒子,使得复合镀层呈现出不同的性能优势,包括耐磨减摩性、耐腐蚀性、抗高温氧化性、电催化性等性能,用以满足上述不同领域的需要。复合镀层的制备方式较为多样,例
【基金项目】
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国家自然科学基金“注聚泵金属易损件表面超声-淹没射流电沉积Ni-Co-SiC织构纳米镀层机理及性能研究”（项目批准号:51974089）；
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随着科技水平的不断提高,机械、化工、石油、军事等领域对金属材料的性能提出了更高的要求。目前,金属表面涂覆复合镀层是提升金属材料表面性能的有效途径之一。相较于单一金属材料而言,复合镀层兼具基质金属与陶瓷颗粒的综合特性。通过在镀液中添加不同种类的纳米粒子,使得复合镀层呈现出不同的性能优势,包括耐磨减摩性、耐腐蚀性、抗高温氧化性、电催化性等性能,用以满足上述不同领域的需要。复合镀层的制备方式较为多样,例如,脉冲电沉积法、化学沉积法、电刷镀法以及射流电沉积法等。其中,射流电沉积法具有极限电流密度高、离子沉积速度快、浓差极化程度低、可选择加工区域等优点,故该方法受到国内外学者的广泛关注。超声波作用于射流电沉积过程中,不仅可以对镀液施加强搅拌作用,还可以抑制析氢现象的产生。超声波对镀液的强搅拌作用可以促进纳米粒子在镀液中弥散分布,从而提升复合镀层中粒子的复合量和均匀性。超声空化效应带来的瞬时高温高压环境可以抑制晶粒的过度生长,进而有效细化晶粒尺寸。因此,本文通过超声-射流电沉积技术制备Ni/Co-TiN复合镀层,对复合镀层进行相关性能测试（显微硬度、孔隙率、摩擦磨损性能、耐腐蚀性能等）,研究工艺参数（超声波功率、射流速度、TiN添加量、电流密度）对镀层性能的影响规律。本文的主要研究内容包括以下几个方面:（1）构建Ni/Co-TiN复合镀层生长模型,研究Ni2+、Co2+、纳米TiN粒子共沉积机理,将基体金属结构、电场力、离子沉积速度纳入到模型中,并将TiN粒子共沉积量Vφ、TiN粒子添加量c和阴极过电位η有机结合起来,使得该模型具有一定的普适性。（2）超声-射流电沉积Ni/Co-TiN复合镀层的工艺研究。从正交试验优化工艺参数入手,后用JMP软件进行实验设计及数据分析,研究超声波功率、射流速度、TiN添加量、电流密度对镀层显微硬度和表面粗糙度的影响规律。通过建立回归模型方程对镀层显微硬度和表面粗糙度进行双重优化,预测出镀层显微硬度最高值为750.05 HV,表面粗糙度最低值为0.382μm,对应的工艺参数组合为:超声波功率151.06 W,射流速度1.75 m/s,TiN添加量6.19 g/L,电流密度60.15A/dm~2。（3）在最佳工艺参数的基础上开展单因素试验,探究超声波功率、射流速度、TiN添加量、电流密度对镀层表面形貌、微观组织和性能的影响规律。结果表明,随着超声波功率、射流速度、TiN添加量、电流密度的增加,镀层显微硬度呈现先增加后减少的变化趋势,而镀层孔隙率、摩擦系数、磨损量、腐蚀失重呈现先减少后增多的变化趋势。超声波功率为150 W时制得镀层纳米TiN粒子复合量最高（8.25 wt%）,镀层孔隙率最低（2.4 N/cm~2）,镀层显微硬度最高（716.35HV）,镀层磨损量最低（0.65 mg）,其腐蚀失重也最少（4.03 mg）;射流速度为1.8 m/s时制得镀层纳米TiN粒子复合量最高（8.03 wt%）,镀层孔隙率最低（2.6 N/cm~2）,镀层显微硬度最高（720.03 HV）,镀层磨损量最低（0.63 mg）,其腐蚀失重也最少（4.34 mg）;TiN添加量为6 g/L时制得镀层组织致密,纳米TiN粒子复合量最高（8.28 wt%）,镀层孔隙率最低（2.2 N/cm~2）,镀层显微硬度最高（718.48 HV）,镀层磨损量最低（0.57 mg）,其腐蚀失重也最少（3.97 mg）;电流密度为60 A/dm~2时制得镀层纳米TiN粒子复合量最高（8.17 wt%）,镀层孔隙率最低（2.4 N/cm~2）,显微硬度最高（717.45 HV）,镀层磨损量最低（0.71 mg）,其腐蚀失重也最少（4.01 mg）。
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