阴极等离子电解沉积技术简介及其研究进展

阴极等离子电解沉积是一种将传统电解和等离子体相结合的表面处理与材料制备技术,与传统的表面处理技术相比,该技术在能量消耗、制备速率、沉积层表面致密度、与基体结合力等方面均有大幅度改善,因此备受关注。概述了阴极等离子电解沉积的基本机理,包括电压-电流的演变过程、气体鞘层的形成过程、等离子体的演变规律和金属离子的沉积现象等,在此基础上讲解了阴极等离子电解沉积的技术优势。针对阴极等离子电解沉积过程中复杂的影响因素,分析并探讨了电压、占空比、时间等电参数以及酸含量、添加剂、电解液浓度等溶液参数对阴极等离子电解沉积的影响规律。在此基础上,重点综述了近年来阴极等离子电解沉积在多个领域的研究进展,包括先进陶瓷涂层、金属涂层以及复合涂层的制备,纳米电催化剂、纳米微球、中空微球和石墨烯等功能材料的合成以及渗碳、渗氮等领域的应用等。最后总结并展望了阴极等离子电解沉积在涂层领域的发展方向以及催化剂、石墨烯等其他新型领域的研究前景。     

Ni—20Cr—Y2O3弥散氧化物微晶涂层及其高温氧化性能

采用高频电脉冲沉积技术在Ni-20Cr合金表面上沉积MGH754ODS合金,获得了Ni-20Cr-Y2O3弥散氧化物微晶涂层。在1000℃空气中对Ni-20Cr合金及施加涂层的试样进行100h的氧化实验。结果表明,微晶化和添加弥散氧化物（Y2O3）促进了铬发生选择氧化形成Cr2O3氧化膜,提高了合金的抗高温氧化性能和氧化膜的粘附性,用AFM,SEM,EDS和XRD分别为Ni-20Cr合金与Ni-20Cr-Y2O3弥散氧化物微晶涂层的形貌、结构和成分进行了研究,讨论了弥散氧化物微晶涂层改善Ni-20Cr合金高温氧化性能的协同作用机理。     

Al-Si合金表面制备ZrO2等离子体电解氧化涂层

采用等离子体电解氧化方法在Al-Si合金表面制备了氧化锆涂层.通过SEM、XRD研究了涂层的显微组织和相组成.结果表明,在氧化初期,涂层生长为典型的电化学极化控制的阳极沉积阶段,生长速率较快,且主要以向外生长为主;随处理时间的延长及涂层增厚,涂层生长速率有所降低,且主要以向内生长为主.涂层主要由t-ZrO2、m-ZrO2、α-Al2O3和γ-Al2O3组成,t-ZrO2为涂层的主晶相.随着氧化反应的进行,涂层表面由等离子体放电形成的微孔逐渐过渡为重复堆积的陶瓷颗粒,颗粒尺寸为1～2μm.     

Ni-20Cr-Y_2O_3弥散氧化物微晶涂层及其高温氧化性能

采用高频电脉冲沉积技术在Ni 2 0Cr合金表面上沉积MGH75 4ODS合金 ,获得了Ni 2 0Cr Y2 O3 弥散氧化物微晶涂层。在 10 0 0℃空气中对Ni 2 0Cr合金及施加涂层的试样进行 10 0h的氧化实验。结果表明 ,微晶化和添加弥散氧化物 (Y2 O3)促进了铬发生选择氧化形成Cr2 O3 氧化膜 ,提高了合金的抗高温氧化性能和氧化膜的粘附性。用AFM ,SEM ,EDS和XRD分别对Ni 2 0Cr合金与Ni 2 0Cr Y2 O3 弥散氧化物微晶涂层的形貌、结构和成分进行了研究 ,讨论了弥散氧化物微晶涂层改善Ni 2 0Cr合金高温氧化性能的协同作用机理。     

阴极等离子电解大面积沉积涂层技术

阴极等离子电解沉积技术是一种先进的涂层制备技术。利用此技术制备的涂层往往具有新的结构和性能,如涂层的纳米结构、与基体的冶金结合、优异的耐常温腐蚀性能和抗高温氧化性能,并能实现水溶液中难以还原的活泼金属的沉积以及在难熔合金上直接进行沉积等。但是,由于沉积过程中气膜微弧放电的不均匀性,人们难以通过阴极等离子电解沉积在大面积试样上获得均匀、致密的涂层。近年来,北京市腐蚀、磨蚀与表面技术重点实验室课题组致力于阴极等离子电解大面积沉积金属、合金及陶瓷涂层的研究,并取得了较大的进展。阴极等离子电解沉积技术作为一种绿色环保的工程技术,阴极等离子电解沉积将具有广阔的应用前景。     

阴极等离子电解沉积Ni和Ni-Al_2O_3纳米涂层

采用电极移动液流式阴极等离子电解在304不锈钢基体上沉积Ni和Ni-Al2O3纳米涂层,研究了溶液组成和电参数对Ni和Ni-Al2O3涂层结构和性能的影响。涂层形貌观察表明,阴极等离子电解沉积的Ni和Ni-Al2O3涂层具有熔融后快速凝固的特征,涂层与基体具有冶金结合。根据XRD的衍射峰宽计算了涂层的晶粒尺寸,结果表明制备的涂层具有纳米结构。元素分析结果证明,Ni-Al2O3涂层中含有少量的纳米Al2O3颗粒,且表面的Al2O3含量比涂层中高。纳米Al2O3颗粒弥散在Ni中显著提高了涂层的显微硬度和耐磨性能。     

阴极等离子体电解沉积Co、Cr金属涂层及Ni-Cr、Co-Cr合金涂层

采用阴极等离子体电解沉积的方法制备了Co、Cr金属涂层以及Ni-Cr、Co-Cr合金涂层,并研究了不同主盐浓度和酸浓度对涂层结构和形貌的影响。结果表明,在阴极等离子体电解沉积过程中,涂层形貌演变规律主要取决于沉积速率和等离子体电弧的作用。较低的主盐浓度和较高的酸含量可以降低沉积速率,在等离子体电弧的作用下,沉积物可以充分地快速熔融并凝固,形成均匀、致密的涂层;而在较高的主盐浓度和较低的酸含量下,由于沉积速率快,大量的沉积物无法完全被等离子体电弧熔融,所以易形成枝晶或者粉末。     

添加PVP对阴极等离子电解沉积Al_2O_3涂层的影响

采用阴极等离子电解沉积(CPED)在镍基高温合金上制备了一层Al_2O_3涂层。通过测试对比阴极表面在3个不同方向下的电压-电流密度曲线来分析CPED动力学过程。结果表明:在电解液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)后,临界起弧电流密度急剧下降,而且阴极表面的朝向对CPED过程的影响也相应的减弱。划痕实验结果表明,随着PVP添加量的增加,涂层的结合力得到明显的提高。通过添加PVP,等离子放电过程可以随机地、均匀地发生在各个阴极表面,因此可以在大面积复杂形状的阴极表面上沉积出均匀的Al_2O_3涂层。     

阴极等离子体电沉积Pt颗粒弥散的Al2O3/YSZ复合涂层的性能研究

采用阴极等离子电解沉积弥散Pt颗粒增韧YSZ-Pt/Al2O3-Pt双层复合涂层。涂层中弥散的Pt颗粒阻碍的氧在涂层中的扩散,提高了涂层的抗氧化性能。Pt颗粒的弥散增韧显著提高了涂层的断裂韧性,缓解了陶瓷层与合金基体在高温下产生的热应力,使得涂层在高温服役过程中具有良好的抗剥落性能。     

预处理对阴极等离子电解沉积制备Al_2O_3涂层性能的影响

采用阴极等离子电解沉积法在镍基高温合金K418上制备Al_2O_3陶瓷层,为降低沉积过程中的电流密度,研究了950℃预处理对涂层微观组织、物相组成、力学性能及沉积过程中电流密度-电压曲线的影响。结果表明:预处理对涂层的表面、截面形貌和物相组成没有明显影响。当预处理时间延长至300 min,涂层抗超声振荡性能和抗热冲击性能分别提高了106.36%和90.13%。拉伸法测定涂层结合强度结果显示,经950℃预处理30 min的试样结合力可由未经预处理时的24.60 MPa提高至37.32 MPa。这些特性主要归因于预制氧化膜使合金基体表面导电性下降,有效地将电流密度-电压曲线第一个峰值由未经预处理的1.84 A/cm~2降至0.26 A/cm~2,同时氧化膜的存在为后续等离子放弧均匀化提供基础,从而提高了涂层与基体之间的结合力。     

电解液中Ce(NO_3)_3含量对ZAlSi12合金微弧氧化层特性的影响

研究Na2SiO3-NaOH体系电解液中Ce(NO3)3含量在0～0.20g/L范围内变化时对ZAlSi12合金表面微弧氧化陶瓷层组织和厚度的影响。采用SEM、XRD分析微弧氧化处理后陶瓷层的表面形貌和相组成。结果表明:随着Ce(NO3)3含量增加,陶瓷氧化层厚度逐渐增大,电解液中Ce(NO3)3加入量0.15g/L时可获得最大厚度为170μm的陶瓷层;电解液中加入Ce(NO3)3后,膜层仍主要由α-Al2O3和γ-Al2O3相组成,但α-Al2O3相的相对含量增加。     

基于加弧辉光复合渗镀技术的Al2O3陶瓷表面合金化

基于加弧辉光复合渗镀技术，采用自行研制的复合靶对Al2O3陶瓷表面进行Cu、Tu复合渗镀，实现了Al2O3陶瓷表面合金化：采用光学显微镜、SEM、EDS、XRD、声发射划痕等测试手段对渗镀层进行分析。研究了复合渗镀机理、渗镀层成分和元素分布、渗镀层相结构以及渗镀层与基体的接合机理。在100N的最大载荷下，渗镀层与陶瓷基体未发生剥离和崩落现象。这种方法为各种陶瓷材料表面合金化及其与金属材料的微连接提供了新途径。     

Al_2O_3和Y_2O_3改性的低温渗铬涂层的循环氧化和热腐蚀性能

采用在Ni基上复合电镀Ni—Al_2_O3和Ni-Y_2_O3复合涂层后在800℃下扩散渗铬的方法,分别制备了Al_2O_3和Y_2_03改性渗铬涂层。采用相同的工艺在单Ni镀层上直接渗铬,获得一种不含氧化物粒子的渗铬涂层。分析了Al_2O_3和Y_2O_3影响渗铬涂层的氧化和腐蚀性能的机理。组织结构分析表明,Al_2O_3和Y_2O_3能明显抑制在渗铬过程中涂层品粒的长大。800℃循环和75％Na2SO4＋25％NaCl混合盐腐蚀试验结果表明：与在单Ni镀层上直接渗铬相比,A1203和Y_20_3改性的渗铬涂层所具有的细晶结构促进了保护性氧化物形成元素Cr沿晶界向氧化前沿的快速扩散,从而有利于致密保护性Cr_2O_3氧化膜的快速形成,使得改性的渗铬涂层表现出更优异的抗循环氧化和混合盐热腐蚀性能。     

钇在Fe-Cr-Al合金1200℃氧化中的作用

将含有0.51％Y和不含Y的两种Fe-Cr-Al合金,在1200℃空气中进行了500小时的氧化实验。用X-射线衍射仪、扫描电镜、电子探针及离子探针对不同氧化时间的试样进行了分析,结果表明,除了初期(约20小时)稍提高Fe-Cr-Al合金氧化速度外,总的说来,钇的添加降低了合金的氧化速度。同时,钇的氧化物分布在以α-Al_2O_3为主的氧化膜中,使得α-Al_2O_3氧化物成为柱状晶,这种构造的氧化膜可经受较大压应力作用,因此在冷热交变过程中氧化膜不易剥落。钇与扩散到基体中的氧优先反应生成Y_2O_3,对阻止合金基体的内氧化及力学性能变坏也起到一定的抑制作用。     

光学级金刚石自支撑膜及其镀制Y2O3增透膜后的高温抗氧化性

为了提高金刚石膜的红外透过率和高温抗氧化性能,采用纯钇(Y)金属靶,使用直流反应磁控溅射法在光学级金刚石自支撑膜表面制备了Y2O3薄膜.对比研究了光学级金刚石自支撑膜和Y2O3/Diamond/Y2O3复合窗口的高温抗氧化性能,及氧化前后样品表面形貌和红外透过率的变化情况.热分析、扫描电子显微镜和傅立叶变换红外光谱仪的研究结果表明Y2O3薄膜对光学级金刚石膜有非常好的抗氧化防护性能,在高达950℃的温度暴露30s后对光学级金刚石膜表面没有造成明显损伤,且仍能保持良好的增透效果(透过率超过80%).     

镁合金等离子喷涂Al/Al_2O_3涂层的耐腐蚀性能

采用等离子喷涂技术在AZ31镁合金表面制备Al/Al_2O_3复合涂层,测试了镁合金及表面喷涂有Al/Al_2O_3复合涂层的镁合金试样的极化曲线,研究了没有涂层、经封孔处理和未经封孔处理的喷涂有复合涂层的镁合金三种试样在浸泡腐蚀和5%NaCl盐雾腐蚀情况下的耐腐蚀性能及其腐蚀行为.结果表明,经封孔处理的Al/Al_2O_3复合涂层镁合金试样在上述腐蚀条件下的耐腐蚀性均优于镁合金和涂层未封孔处理的试样,在浸泡试验中未封孔处理的涂层试样比镁合金腐蚀更加严重,在盐雾试验中却优于镁合金.     

TiAl合金表面等离子喷涂层的形貌和抗氧化性分析

采用等离子喷涂方法在TiAl合金表面喷涂，得到由CoNiCrAlY粘结层和(ZrO2 Y2O3)陶瓷外层组成的双层结构的热障涂层。对涂层进行了高温抗氧化试验，并用SEM和金相法观察和分析了涂层的组织及形貌。结果表明，经喷涂后试样的高温抗氧化能力显著提高。     

等离子喷涂纳米ZrO_2陶瓷表面涂层的热震性能研究

对比研究了等离子喷涂Y_2O_3稳定的纳米与微米ZrO_2涂层的组织结构及性能。结果表明,两种涂层有不同的相结构;纳米ZrO_2涂层组织更加细密,铺展性更好,气孔率较低;两种涂层硬度相近;纳米ZrO_2涂层的热震性能明显高于微米ZrO_2涂层。     

Parameter optimization for plasma-sprayed Al_2O_(3P)/Al composite coatings on AZ31 magnesium alloy

Al_2O_(3P)/Al composite coatings were prepared on the surface of AZ31 magnesium alloy by plasma spraying technology with mixed powders of Al and Al_2O_3. An orthogonal test containing six factors and five levels was carried out to acquire the optimum technical parameters. Microstructures and properties of the composite coatings were studied. The results show that the coatings consist of Al_2O_3 particulates distributed uniformly and Al matrix, and the interface between the particulate and matrix is continuous, compact and clean. With increasing the mass fraction of Al_2O_3 in the mixed powders, the volume fraction of Al_2O_3 in the coatings increases. The Al_2O_(3P)/Al composite coating with 14% Al_2O_3 volume fraction has more compact microstructure and more satisfactory properties.     

稀土对激光熔覆生物陶瓷涂层纵截面组织形貌的影响

在Ti6Al4V合金表面进行激光熔覆处理,所得的生物陶瓷涂层的质量,受到涂层组织结构的重要影响,稀土则是影响涂层组织形貌的重要物质.采用激光熔覆处理单纯钛合金、钛合金和涂层原料及预熔钛为过渡层的生物陶瓷涂层,对比研究了稀土对其纵截面的组织形貌的影响.结果显示:稀土对涂层具有降低开裂倾向的作用.因此,在涂层原料中寻找适当比例的稀土可以有效降低涂层的裂纹敏感性.