一种钛基电沉积Ni-Ti超细晶耐磨复合涂层及其制备方法

一种钛基电沉积ni-ti超细晶耐磨复合涂层及其制备方法
技术领域
1.本发明属于涂层领域，具体涉及一种钛基电沉积ni-ti超细晶耐磨复合涂层及其制备方法。


背景技术：

2.在所有的金属元素中，钛(ti)具有最高的强度-重量比，且有出色的耐腐蚀性能，使其成为在各种重量和环境中承重应用的理想材料。如在航空航天领域，钛及其合金在服役过程中存在常温和高温环境下的摩擦和腐蚀问题。然而，表面氧化物的低抗塑性剪切能力导致钛及其合金的摩擦学性能较差，大大影响了钛及其合金构件的服役寿命。
3.因此，为了提高钛的表面性能，需要进行适当的表面处理。如热喷涂技术、激光熔覆技术、电沉积技术等。其中，电沉积是利用电解法在某些金属或其它材料表面镀上一层金属或合金的过程，能够起到提高耐磨性、耐蚀性、导电性、反光性及美观等。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种钛基电沉积ni-ti超细晶耐磨复合涂层及其制备方法。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种钛基电沉积ni-ti超细晶耐磨复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
6.步骤(1)：配置电沉积溶液：按1200:200:150:1:250配比称量硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠和钛粉，其中钛粉粒径为0.5-3.5μm，称量后加入去离子水配制成电沉积溶液；
7.步骤(2)：钛基体预处理后，采用砂纸打磨并机械抛光至表面光滑，然后用氢氟酸刻蚀；
8.步骤(3)：以镍板为阳极，钛基体为阴极，放入溶液，进行电沉积。
9.进一步的，步骤(1)中制备的电沉积溶液的ph为3.6
±
0.2。
10.进一步的，步骤(2)钛基体预处理具体为：
11.将切割好的样品放入退火炉在750
±
50℃下保温2
±
0.5h的退火处理，取出后进行空冷，得到组织均匀的钛材。
12.进一步的，步骤(2)中的“采用砂纸打磨并机械抛光至表面光滑”具体为：
13.退火后的样品依次用600#、1000#、1500#和2000#的砂纸打磨，去除氧化层，然后使用3.5粒径的金刚石抛光膏机械抛光2
±
0.5h。
14.进一步的，步骤(2)中采用10％hf进行刻蚀，刻蚀后依次使用酒精和去离子水进行冲洗。
15.进一步的，步骤(3)具体为：将盛有电沉积溶液的烧杯放入水浴锅中，设置水浴温度为50
±
5℃，以镍板为阳极，钛基体为阴极，接通电源，电流为5
±
0.1a/dm2，电沉积时间为24
±
3h，在电沉积进行的同时使用磁转子搅拌溶液，以保证溶液成分均匀，以及钛粉均匀悬
浮在溶液中。
16.进一步的，步骤(3)中使用磁转子搅拌溶液的搅拌速度为1700
±
100r/min。
17.一种钛基电沉积ni-ti超细晶耐磨复合涂层，采用上述的方法制备。
18.进一步的，涂层的厚度为200-300μm。
19.进一步的，涂层中晶粒尺寸在100nm～3μm范围。
20.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
21.本发明通过电沉积，且在电沉积溶液中加入粒径为1μm的钛颗粒，利用钛颗粒提供的非均匀形核点细化晶粒，生成晶粒尺寸在100nm～3μm范围的超细晶结构，涂层的厚度为200-300μm；制备得到的超细晶ni-ti复合涂层在室温及800℃的高温下具有优异的耐磨损性能，这是因为钛粉颗粒的加入提供了非均匀形核位置，细化了晶粒，从而产生了细晶强化，同时钛粉的存在阻碍了位错运动产生了弥散强化。
22.本发明对超细晶ni-ti复合涂层进行了晶体结构、显微形貌表征以及摩擦磨损性能测试；结果表明，超细晶ni-10gti复合涂层摩擦系数和磨损率最低且相比于基体材料摩擦系数降低了0.2，磨损率降低了三个数量级，说明了钛粉颗粒的加入能显著改善涂层的耐磨性，而随着钛粉的添加，晶粒细化程度增加，晶粒细化为纳米晶，对载荷的敏感度提高，同时钛粉本身硬度较软，使得涂层耐磨性降低，由此可得出具有最佳耐磨损性能涂层为ni-10gti涂层。
附图说明
23.图1为本发明涂层的硬度。从基体的175hv提升至442hv，添加钛粉可以提高涂层硬度。
24.图2为本发明的涂层的sem图及其ti、ni元素的eds图谱，确定为ni-ti复合涂层，按照钛粉的添加量，涂层分别为(a)ni、(b)ni-10gti、(c)ni-40gti，(d)为ni-40gti的eds图谱。涂层中钛粉分布均匀，涂层中无明显的裂纹等缺陷。
25.图3为本发明的涂层在不同载荷下的cof图。ni-10gti超细晶涂层可以显著降低cof且在14000道次后仍旧未失效，相较于ni-40gti纳米晶涂层，ni-10gti超细晶涂层cof更低。
26.图4为本发明的涂层在不同载荷下的磨损率图。该涂层可以显著降低磨损率，与钛基体相比降低了三个数量级，相较于ni-40gti纳米晶涂层，ni-10gti超细晶涂层磨损率更低，提高材料的耐磨性。
27.图5为本发明的涂层在10n、800摄氏度高温下的cof图。ni-ti复合涂层可以显著降低cof，这是因为高温下晶粒再结晶受到钛颗粒的阻碍，细化了晶粒。
28.图6为本发明的涂层的ebsd图。添加钛粉可以细化晶粒，提高材料强度。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
30.一种钛基电沉积超细晶ni-ti超细晶复合耐磨涂层，并提出了一种工艺简单、成本低、制作效率高的制备方法。本发明是通过以下方式实现的：改善了钛基体预处理的过程，将使用除油、碱洗、酸洗等多道程序简化，用抛光和刻蚀代替，减少了时间和酸碱溶液的使
用。然后通过在镍电沉积溶液中添加钛粉，并加以一定的搅拌速度，从而获得ni-ti的复合镀层，钛粉的加入细化了晶粒，获得了超细晶结构，同时阻碍位错运动，使得涂层在常温和800℃高温下均有着优异的耐磨性。而随着钛粉的添加，晶粒细化程度增加，晶粒细化为纳米晶，对载荷的敏感度提高，同时钛粉本身硬度较软，使得涂层耐磨性降低，由此可得出最佳耐磨涂层为ni-10gti涂层。
31.对比例1
32.步骤1，配置溶液：按配比称量硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠和钛粉，加入去离子水配制成溶液；
33.电沉积溶液：硫酸镍45-48g、氯化镍6-8g、硼酸5-6g、十二烷基硫酸钠0.01-0.04g、钛粉0g、去离子水200ml，溶液ph为3.6(
±
0.2)。
34.刻蚀液为10％hf：将20％的hf和去离子水以1：1体积混合。
35.步骤2，依次使用600#、1000#、1500#和2000#砂纸打磨钛基体并用机械抛光至表面光滑，然后用10％氢氟酸刻蚀30s。
36.步骤(21)：将99.99％的钛板切割成10mm*10mm*2mm大小；
37.步骤(22)：将切割好的样品放入退火炉进行750℃下保温2h的退火处理，取出后进行空冷，得到组织均匀的钛材；
38.步骤(23)：将步骤(22)得到的样品用600#、1000#、1500#和2000#的砂纸打磨，去除氧化层，然后使用3.5粒径的金刚石抛光膏机械抛光2h，使样品表面光滑平整。电沉积前，使用10％hf进行刻蚀，获得具有一定粗糙度的表面，刻蚀后依次使用酒精和去离子水进行冲洗。
39.步骤3，电沉积：以镍板为阳极，钛基体为阴极，放入溶液，进行电沉积。
40.步骤(31)：用磁转子搅拌配制好的溶液2h，使得溶液中钛粉均匀分散。
41.步骤(32)：将电沉积烧杯放入水浴锅中，水浴温度为50℃，以镍板为阳极，钛基体为阴极，接通电源，电流为5(
±
0.1)a/dm2。电沉积时间为24h，涂层厚度在200～300m。在电沉积进行的同时使用磁转子搅拌溶液，搅拌速度为1700r/min，以保证溶液成分均匀，以及钛粉均匀悬浮在溶液中。
42.步骤4，涂层电沉积后进行抛光再利用扫描电镜表征涂层，如图2(a)所示，制备的ni涂层无明显缺陷，涂层中不存在钛粉颗粒。
43.实施例1
44.步骤1，配置溶液：按配比称量硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠和钛粉，加入去离子水配制成溶液；
45.电沉积溶液：硫酸镍45-48g、氯化镍6-8g、硼酸5-6g、十二烷基硫酸钠0.01-0.04g、钛粉9.5-10g、去离子水200ml，溶液ph为3.6(
±
0.2)。
46.刻蚀液为10％hf：将20％的hf和去离子水以1：1体积混合。
47.步骤2，依次使用600#、1000#、1500#和2000#砂纸打磨钛基体并用机械抛光至表面光滑，然后用10％氢氟酸刻蚀30s。
48.步骤(21)：将99.99％的钛板切割成10mm*10mm*2mm大小；
49.步骤(22)：将切割好的样品放入退火炉进行750℃下保温2h的退火处理，取出后进行空冷，得到组织均匀的钛材；
50.步骤(23)：将步骤(22)得到的样品用600#、1000#、1500#和2000#的砂纸打磨，去除氧化层，然后使用3.5粒径的金刚石抛光膏机械抛光2h，使样品表面光滑平整。电沉积前，使用10％hf进行刻蚀，获得具有一定粗糙度的表面，刻蚀后依次使用酒精和去离子水进行冲洗。
51.步骤3，电沉积：以镍板为阳极，钛基体为阴极，放入溶液，进行电沉积。
52.步骤(31)：用磁转子搅拌配制好的溶液2h，使得溶液中钛粉均匀分散。
53.步骤(32)：将电沉积烧杯放入水浴锅中，水浴温度为50℃，以镍板为阳极，钛基体为阴极，接通电源，电流为5(
±
0.1)a/dm2。电沉积时间为24h，涂层厚度在200～30μm。在电沉积进行的同时使用磁转子搅拌溶液，搅拌速度为1700r/min，以保证溶液成分均匀，以及钛粉均匀悬浮在溶液中。
54.步骤4，涂层电沉积后进行抛光再利用扫描电镜表征涂层，如图2(b)所示，制备的ni-10gti涂层无明显缺陷，涂层中钛粉颗粒均匀分布，没有聚集，颗粒周围结合良好，无明显裂纹。
55.实施例2
56.步骤1，配置溶液：按配比称量硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠和钛粉，加入去离子水配制成溶液；
57.电沉积溶液：硫酸镍45-48g、氯化镍6-8g、硼酸5-6g、十二烷基硫酸钠0.01-0.04g、钛粉35-40g、去离子水200ml，溶液ph为3.6(
±
0.2)。
58.刻蚀液为10％hf：将20％的hf和去离子水以1：1体积混合。
59.步骤2，依次使用600#、1000#、1500#和2000#砂纸打磨钛基体并用机械抛光至表面光滑，然后用10％氢氟酸刻蚀30s。
60.步骤(21)：将99.99％的钛板切割成10mm*10mm*2mm大小；
61.步骤(22)：将切割好的样品放入退火炉进行750℃下保温2h的退火处理，取出后进行空冷，得到组织均匀的钛材；
62.步骤(23)：将步骤(22)得到的样品用600#、1000#、1500#和2000#的砂纸打磨，去除氧化层，然后使用3.5粒径的金刚石抛光膏机械抛光2h，使样品表面光滑平整。电沉积前，使用10％hf进行刻蚀，获得具有一定粗糙度的表面，刻蚀后依次使用酒精和去离子水进行冲洗。
63.步骤3，电沉积：以镍板为阳极，钛基体为阴极，放入溶液，进行电沉积。
64.步骤(31)：用磁转子搅拌配制好的溶液2h，使得溶液中钛粉均匀分散。
65.步骤(32)：将电沉积烧杯放入水浴锅中，水浴温度为50℃，以镍板为阳极，钛基体为阴极，接通电源，电流为5(
±
0.1)a/dm2。电沉积时间为24h，涂层厚度在200～300μm。在电沉积进行的同时使用磁转子搅拌溶液，搅拌速度为1700r/min，以保证溶液成分均匀，以及钛粉均匀悬浮在溶液中。
66.步骤4，涂层电沉积后进行抛光再利用扫描电镜表征涂层，如图2(c，d)所示，制备的ni-40gti涂层无明显缺陷，涂层中钛粉颗粒均匀分布，没有聚集，颗粒周围结合良好，无明显裂纹，钛含量明显多于ni-10gti。

技术特征：
1.一种钛基电沉积ni-ti超细晶耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：配置电沉积溶液：按1200:200:150:1:250配比称量硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠和钛粉，其中钛粉粒径为0.5-3.5μm，称量后加入去离子水配制成电沉积溶液；步骤(2)：钛基体预处理后，采用砂纸打磨并机械抛光至表面光滑，然后用氢氟酸刻蚀；步骤(3)：以镍板为阳极，钛基体为阴极，放入溶液，进行电沉积。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中制备的电沉积溶液的ph为3.6
±
0.2。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)钛基体预处理具体为：将切割好的样品放入退火炉在750
±
50℃下保温2
±
0.5h的退火处理，取出后进行空冷，得到组织均匀的钛材。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中的“采用砂纸打磨并机械抛光至表面光滑”具体为：退火后的样品依次用600#、1000#、1500#和2000#的砂纸打磨，去除氧化层，然后使用3.5粒径的金刚石抛光膏机械抛光2
±
0.5h。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)中采用10％hf进行刻蚀，刻蚀后依次使用酒精和去离子水进行冲洗。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)具体为：将盛有电沉积溶液的烧杯放入水浴锅中，设置水浴温度为50
±
5℃，以镍板为阳极，钛基体为阴极，接通电源，电流为5
±
0.1a/dm2，电沉积时间为24
±
3h，在电沉积进行的同时使用磁转子搅拌溶液，以保证溶液成分均匀，以及钛粉均匀悬浮在溶液中。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)中使用磁转子搅拌溶液的搅拌速度为1700
±
100r/min。8.一种钛基电沉积ni-ti超细晶耐磨复合涂层，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的方法制备。9.根据权利要求8所述的涂层，其特征在于，涂层的厚度为200-300μm。10.根据权利要求9所述的涂层，其特征在于，涂层中晶粒尺寸在100nm～3μm范围。

技术总结
本发明属于涂层领域，具体涉及一种钛基电沉积Ni-Ti超细晶耐磨复合涂层及其制备方法。包括如下步骤：步骤(1)：配置电沉积溶液：按1200:200:150:1:250配比称量硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠和钛粉，其中钛粉粒径为0.5-3.5μm，称量后加入去离子水配制成电沉积溶液；步骤(2)：钛基体预处理后，采用砂纸打磨并机械抛光至表面光滑，然后用氢氟酸刻蚀；步骤(3)：以镍板为阳极，钛基体为阴极，放入溶液，进行电沉积。本发明所得的Ni-10gTi超细晶涂层表面平整光滑，具有独特的超细晶镍与钛颗粒的复合结构，在室温以及高温条件下均具有非常优异的耐磨损性能。异的耐磨损性能。异的耐磨损性能。


技术研发人员：卞贤芝 梁斐 陈翔
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/11