多能场辅助电沉积制备非晶态镍基合金及其性能影响研究

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以镍(Ni)基合金为代表的非晶合金具有高强度、高硬度、高耐磨性、良好的耐蚀性、优异的磁性和电学性能等,可用于航空航天、汽车制造、医疗器械以及电子通信等领域。目前,电沉积法可以制备大多数非晶合金,其在镀液稳定性、成本以及设备操作等方面具有一定的优势,但是存在如点蚀、孔隙等表面缺陷,内应力过大,加热时镀液维护困难和常温下加工速率不足等问题。因此,在电沉积体系中引入多能场复合,成为了改善单一电沉积不足之处的重要方法。电沉积制备非晶态合金有两个成型要求:(1)阴极提供足够的过电位,使得成核率提高,成核速度增大,以阻碍晶粒的生长,形成尺寸较小,数量较多的晶核;(2)阴极析氢阻碍原子的规则排列。本文在电沉积体系中引入激光和磁场,主要研究内容和成果如下:1.研究了多能场(激光、磁场和电场)制备非晶态合金的机理。(1)金属及其合金的电结晶过程、共沉积及诱导共沉积的条件及机理研究;(2)激光辐照时产生的热力效应对沉积过程的影响研究;(3)磁场形成的磁流体、磁力以及磁化力效应对离子还原过程中的浓差极化、生长速率以及晶粒取向等的影响的研究。2.研究了不同激光参数强化电沉积制备非晶态镍磷(Ni-P)合金镀层的影响,完成了对表面质量、内部结构以及性能的测试。激光可以提高阴极过电位,为形成尺寸较小,数量较多的晶核提供有利条件;微区搅拌作用还能够及时排除阴极析出的阻碍原子规则排列的气泡,以此改善镀层的表面质量、非晶态程度、内应力、耐蚀性能和耐磨性能。当激光单脉冲能量为16μJ,频率为1 MHz,扫描速率为3000 mm/s时,镀层的综合性能最优。3.在激光强化电沉积的系统基础之上引入了磁场,研究了激光单脉冲能量以及磁场强度大小对多能场复合加工非晶态镍铁磷(Ni-Fe-P)合金镀层的影响,完成了对表面质量、内部结构以及性能的测试。激光可以形成微区搅拌利于Fe的还原;激光可以降低反应所需要的活化能利于Ni元素的还原。磁流体(MHD)效应可以抑制浓差极化;磁场对电极以及顺磁性粒子产生的磁力和磁化力效应影响晶核的生长方向,形成各向异性,使得镀层性能以及应力状况得到进一步改善。当激光能量为16μJ时,非晶态Ni-Fe-P镀层的硬度、耐磨性以及耐蚀性能更好。当磁场强度为15 m T时,非晶态Ni-Fe-P镀层的耐磨性会有所下降,但是其应力状态和耐蚀性能会有所改善。根据本文的试验结果,在电沉积体系中引入多能场(激光、磁场)能够有效的改善电沉积制备非晶态Ni-P/Ni-Fe-P合金存在的不足之处以及提高镀层的使用性能,对于制备性能优良的非晶态合金具有重要的意义。
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