一种用于提高微粒射流电沉积复合镀层力学性能的方法技术

本发明专利技术公开一种用于提高微粒射流电沉积复合镀层力学性能的方法，在电解液中添加尿素添加剂，通过与共沉积的纳米颗粒作用，提高纳米颗粒表面电荷的极性，使纳米微粒出现自分散倾向，削弱团聚效应，有利于向阴极迁移、传递和容易被阴极表面俘获，从而提高纳米颗粒复合量和均匀性。

A Method for Improving Mechanical Properties of Composite Coatings by Particle Jet Electrodeposition

The invention discloses a method for improving the mechanical properties of composite coatings by particle jet electrodeposition. By adding urea additives in the electrolyte, the polarity of surface charge of nanoparticles can be increased by acting with the co-deposited nanoparticles, so that the nanoparticles have a tendency of self-dispersion, weaken the agglomeration effect, and are advantageous to migration, transmission and easy capture to the cathode surface, thereby improving the polarity of surface charge of nanoparticles. High nanoparticle composition and homogeneity.

【技术实现步骤摘要】
一种用于提高微粒射流电沉积复合镀层力学性能的方法
本专利技术涉及一种用于提高微粒射流电沉积复合镀层力学性能的方法。
技术介绍
先进表面工程
，电沉积技术是最有应用前景的低成本涂层制作方法之一，具有工艺简单、操作方便、镀层种类多等优点，对于薄壁零件和损伤量较小零件的修复具有其它技术(如堆焊、激光、喷涂等)无法比拟的优势。不过用于沉积的单一元素基本上如铜、镍等金属，硬度、抗拉强度、抗蠕变强度低，对于被修复对象性能恢复效果较差。为了获得高性能的修复涂层，通常可采取复合电沉积的方式，即在电解液中添加纳米增强相颗粒，如纳米氧化铝和碳化硅颗粒，与金属离子共沉积在被修复材料表面，形成纳米复合镀层。由于纳米复合镀层包含有性能优异的纳米颗粒，因此产生的修复涂层具有良好的综合性能，可显著提高镀层硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及沉积的均匀性等。不过，纳米颗粒的团聚问题成为了当前纳米复合镀层制备工艺亟待解决的难题。因为添加在电解液中的纳米颗粒粒径极小，一般仅为30纳米左右，因此具有极高的表面活性能，为了降低能量纳米颗粒通常具有团聚在一起的倾向。因此造成了两个负面影响：一是形成了纳米团聚体，增大了颗粒体积，阻碍了纳米颗粒在电解液中向阴极迁移，从而降低了镀液中纳米颗粒在复合镀层中的复合量；二是纳米颗粒团聚体不利于复合的纳米颗粒在镀层中的均匀分布。这在一定程度上削弱了纳米颗粒赋予复合镀层的性能。为解决纳米复合电沉积这一问题，研究人员尝试采取许多辅助方法削弱纳米团聚倾向，促进纳米颗粒的分散和均匀分布。这主要包括机械搅拌和超声波振荡等方式。化学方法在解决纳米颗粒的团聚的同时也引入了对镀层性能产生负面影响的其他成分，降低了其综合性能。物理方法也能够有效地分散纳米颗粒，但是由于工艺的限制也很难在整个镀层制备的过程中充分发挥作用。射流电沉积方法是近年来出现的一种新型电沉积方法，它的主要特点是使电解液在一定压力下，高速喷向阴极表面，因此具有极高的液相传质作用，可在沉积层中形成细小的纳米晶结构以及极高的极限电流密度。同时其特有的高速液流也在纳米复合电沉积应用中起到了一定的搅拌作用，有效地避免了纳米颗粒的团聚。在专利CN101717977B高硬度Cu-SiC纳米复合镀层的制备方法及其专用设备，提出使用射流电沉积的方法制备将混有SiC纳米颗粒的电解液在一定压力作用下高速从阳极腔高速喷向阴极表面，加速了电解液的流动，对电解液的纳米颗粒起到强烈的搅拌作用，有效地避免了纳米颗粒的团聚。不过这些方法仅仅单纯考虑到了一面，而没有将物理和化学作用效果结合起来，发挥综合作用，因此取得的效果也比较有限。如果将合适的添加剂与纳米颗粒同时添加到电解液中，使得添加剂在射流电沉积的强制搅拌作用下与纳米颗粒作用，使其自分散，可以取得纳米复合颗粒在镀层更高、更均匀的复合效果，有效提高修复镀层的沉积效果。通过最新的专利和文献检索，目前通过在射流电沉积工艺中添加尿素添加剂和纳米氧化铝，以提高镀层中增强颗粒复合含量，并起到了提高力学性能作用的技术构想和方案还没有出现。
技术实现思路
针对现有问题，本专利技术提供一种用于提高微粒射流电沉积复合镀层力学性能的方法，在电解液中添加尿素添加剂，通过与共沉积的纳米颗粒作用，提高纳米颗粒表面电荷的极性，使纳米微粒出现自分散倾向，削弱团聚效应，有利于向阴极迁移、传递和容易被阴极表面俘获，从而提高纳米颗粒复合量和均匀性。具体方法如下步骤：1）待修复基体材料表面预处理工艺：先用400目金相砂纸打磨待修复材料表面，去除其氧化层，再以800-1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；将打磨后的材料用35g/LNaOH溶液进行清洗，表面脱脂除油：然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理；蒸馏水清洗干净、晾干备用；2）复合电解液配置成分，电解液的成分包括：五水硫酸铜，浓硫酸，尿素，粒径为35纳米的Al2O3；3）复合电解液的预处理方法，在电沉积前先将复合电解液超声搅拌，然后以1000转/分钟速度机械搅拌，减小纳米颗粒的团聚效应使其均匀分散，同时使尿素分子与纳米三氧化二铝颗粒充分接触，促进纳米颗粒表面的正电荷极性；此时电解液温度由恒温水浴控制在60℃，以保证尿素分子在此温度具有较好的活性，发挥其作用；4）射流电沉积时使用的优化工艺参数：矩形喷嘴口径10×1mm，喷嘴与基体距离为5mm，采用直流电流，电流密度为350A/dm2，电解液流速250L/h，扫描层数800层，扫描速度1000mm/分钟，沉积时间30分钟；5）沉积过程中，始终保持超声搅拌和1000转/分钟的机械搅拌，以促进尿素分子和三氧化二铝纳米颗粒充分接触，并保持加工温度在55℃。所述的电解液的基础成分浓度为：五水硫酸铜250-300g/L，浓硫酸50g/L，尿素10g/L，粒径为35纳米的Al2O310g/L。1）本专利技术提供了一种通过在电解液中添加尿素添加剂，通过与共沉积的三氧化二铝纳米颗粒作用，提高纳米颗粒表面电荷的极性，使纳米颗粒表面带正电荷，并逐渐增加。使纳米颗粒之间形成了静电互斥力，产生自分散效应，同时与高速液流强制搅拌效应一起削弱纳米团聚效应。另外，纳米颗粒表面的正电荷有利于向被阴极吸引俘获。因此在尿素添加剂的作用下，复合镀层中纳米颗粒复合量和均匀性大大提高，进而促进复合镀层的力学性能。2）本专利技术是通过喷射电解液束流携带一定含量的尿素和三氧化二铝纳米颗粒，因此提供了特定的流体力学场、超声振动场和温度场，使三个能量场叠加，从而促使尿素分子在合适温度和流速下，与金属阳离子形成络合物，在纳米颗粒表面实现附着、环绕，形成了分散效应和向阴极的吸附效应，从而增大阴极中纳米颗粒含量，进而提高复合镀层的力学性能。附图说明图1为电解液中的尿素分子、金属阳离子和纳米颗粒的作用关系图。图2为射流电沉积附属设备及加工现场示意图。图3为为不同尿素添加含量下的镀层中纳米氧化铝的复合含量坐标图。图4为不同尿素添加含量下的镀层显微硬度坐标图。图5为不同尿素添加含量下的镀层拉伸强度坐标图。具体实施方式本专利技术属于一种微粒射流电沉积改进工艺，即在电解液中添加尿素添加剂，通过与共沉积的纳米颗粒作用，提高纳米颗粒表面电荷的极性，使纳米微粒出现自分散倾向，削弱团聚效应，有利于向阴极迁移、传递和容易被阴极表面俘获，从而提高纳米颗粒复合量和均匀性。该方法的核心是通过从电解液中添加一定含量的尿素和三氧化二铝纳米颗粒，并保证特定的温度场和动力场，以使二者发挥以下作用：使尿素分子在合适温度和高速流场下，与金属阳离子形成络合物，在纳米颗粒表面附着、环绕，使纳米颗粒表面带正电荷，并逐渐增加。因此使纳米颗粒之间形成了静电互斥力，产生自分散效应，避免了团聚。同时纳米颗粒增大的表面正电荷也增强了带负电的阴极对纳米颗粒的吸引力，促使更多的纳米颗粒向阴极沉积，从而增大阴极中纳米颗粒含量。其作用原理如附图1所示。本专利技术通过以下技术方案实现，具体操作步骤如下：1）待修复基体材料表面预处理工艺：先用400目金相砂纸打磨待修复材料表面，去除其氧化层，再以800-1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；将打磨后的材料用35g/LNaOH溶液进行清洗，表面脱脂除油：然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理；蒸馏水清洗干净、晾干备用。2）复合电解液配置成分。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于提高微粒射流电沉积复合镀层力学性能的方法，其特征在于,包括如下步骤： 1）待修复基体材料表面预处理工艺：先用400目金相砂纸打磨待修复材料表面，去除其氧化层，再以800‑1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；将打磨后的材料用35g/L NaOH溶液进行清洗，表面脱脂除油：然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理；蒸馏水清洗干净、晾干备用；2）复合电解液配置成分，电解液的成分包括：五水硫酸铜，浓硫酸，尿素，粒径为35纳米的Al2O3；3）复合电解液的预处理方法，在电沉积前先将复合电解液超声搅拌，然后以1000转/分钟速度机械搅拌，减小纳米颗粒的团聚效应使其均匀分散，同时使尿素分子与纳米三氧化二铝颗粒充分接触，促进纳米颗粒表面的正电荷极性；此时电解液温度由恒温水浴控制在60℃，以保证尿素分子在此温度具有较好的活性，发挥其作用；4）射流电沉积时使用的优化工艺参数：矩形喷嘴口径10×1mm，喷嘴与基体距离为5mm，采用直流电流，电流密度为350A/dm2，电解液流速250L/h，扫描层数800层，扫描速度1000mm/分钟，沉积时间30分钟；5）沉积过程中，始终保持超声搅拌和1000转/分钟的机械搅拌，以促进尿素分子和三氧化二铝纳米颗粒充分接触，并保持加工温度在55℃。...

【技术特征摘要】
1.一种用于提高微粒射流电沉积复合镀层力学性能的方法，其特征在于,包括如下步骤：1）待修复基体材料表面预处理工艺：先用400目金相砂纸打磨待修复材料表面，去除其氧化层，再以800-1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；将打磨后的材料用35g/LNaOH溶液进行清洗，表面脱脂除油：然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理；蒸馏水清洗干净、晾干备用；2）复合电解液配置成分，电解液的成分包括：五水硫酸铜，浓硫酸，尿素，粒径为35纳米的Al2O3；3）复合电解液的预处理方法，在电沉积前先将复合电解液超声搅拌，然后以1000转/分钟速度机械搅拌，减小纳米颗粒的团聚效应使其均匀分散，同时使尿素分子与纳米三氧化二铝颗粒充分接触，促进纳米颗粒表面的正电荷极...

【专利技术属性】
技术研发人员：范晖，赵阳培，王善奎，田宗军，黄因慧，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32