液相等离子体强化纳米复合镀层机理及工艺研究

针对目前采用电沉积制备纳米复合镀层存在镀层与基体结合强度低的缺陷，提出液相等离子体对纳米复合镀层进行强化的新思路。探讨在临界电压条件下，液相等离子产生的本质原因；分析等离子体的物质基础及其迁移驱动力；阐明等离子体弧光放电热效应以及热扩散效应。探讨各主要工艺参数（电源功率、处理温度和电解液成分）变化对处理效果的影响，考察等离子体强化前后的镀层的结合强度的变化趋势。在特定的电解液体系中，在高电沉积电压下，在电极周围发生弧光放电，形成具有高温高压的液相等离子体。利用高能量密度的液相等离子体以极短的时间将镀件与基体加热到熔凝状态，使得镀层材料与基体材料相互渗透，形成再结晶组织，真正实现两者的冶金结合，大大提高了镀层与基体的结合强度。相对于激光强化手段，液相等离子体在特定的电解液体系中自组织原位生成。强化过程在常温下进行，其工艺装置类似一般的电沉积系统，设备简单，成本低廉，具有明显的实用性。

利用电解液喷射沉积工艺制备了Ni-Al2O3纳米复合镀层，镍沉积层具有纳米晶微观结构，平均晶粒尺寸约为50 nm；纳米Al2O3颗粒在沉积层中的含量可达12.2at %；随Al2O3添加量的增加，纳米复合镀层显微硬度逐渐提高，结合强度和耐腐蚀性先提高后有所降低。对纳米复合量12.2at %的Ni-Al2O3纳米复合镀层进行激光强化实验，测试表明在镀层厚度为镀层厚度约100μm时，镀层结合强度约为10.2MPa，经过激光作用后，镀层的结合强度有着明显提高，达到19.53MPa。分析认为采用具有高能量密度的激光进行强化处理，一方面可以改善镀层自身组织结构，镀层晶粒细化；另一方面激光可以迅速将镀层加热到熔融状态，镀层与基体金属之间离子在高温下相互渗透，发生重结晶，可以在一定程度上提高了两者的结合力。.利用液相等离子体装置进行了液相等离子体产生机制及控制研究。试验发现，当直流电压较小时，阴极表面生成许多气泡，这些电解气泡直径较小，上升速率较慢，在阴极表面生成以后即散开。继续升高电压，电流出现急剧下降，阴极周围液体被阴极加热，沸腾，形成大量气泡包裹阴极，随着电压的不断升高，气泡数量越来越多，并紧贴阴极表面，逐渐形成整体的动态连续的气泡束，该气泡束逐渐阻隔电流，当电压升高到一定程度时，该气泡束被放电击穿，气泡束内出现放电，在其内部形成等离子体。测试表明等离子体是包括电子、分子、原子、离子及其他活性粒子的粒子团。在动辄数百伏特的高电压下，包裹阴极的气泡鞘层内部的电场强度在10000V/m以上。其中的电子能量在1~10eV，折算成温度高达104~105K，如此高能量的电子可以轻易触发高能量水平的化学反应及导致物理沉积。另外虽然电子能量极高，但是由于等离子体的温度取决于其他重粒子的温度，因此等离子体整体温度保持在较低水平，从而降低了对试验器材的要求，并且避免了高温对沉积层和金属基体的破坏。.分别采用不同浓度的乙醇、柠檬酸以及不同类型镍主盐的电解液进行阴极等离子体电解沉积金属镍，研究电解液成分对镍沉积速率和沉积层表面形貌的影响。结果表明，电解液中乙醇浓度逐渐升高时，镍沉积层表面逐渐变得平整，结构均匀细致，但沉积速率下降。溶液中柠檬酸的浓度逐渐升高时，可明显提高镍的沉积速率，沉积表面的颗粒尺寸有所减小。用氯化镍或硫酸镍作为主盐，镍的沉积速率较高，用氨基磺酸镍作为主盐则沉积速率较低，三