锆铝合金化学法彩色金相工艺的研究.docx

锆铝合金化学法彩色金相工艺的研究.docx

《锆铝合金化学法彩色金相工艺的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锆铝合金化学法彩色金相工艺的研究.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

锆铝合金化学法彩色金相工艺的研究

毕业论文

学生姓名：

学号：

学院：

材料科学与工程学院

专业：

题目：

Zr-Al彩色金相的工艺研究

指导教师：

评阅教师：

2012年6月

河北科技大学毕业论文成绩评定表

姓名

学号

成绩

专业

金属材料工程

题目

锆铝合金彩色金相的工艺研究

指导教师评语及成绩

指导教师：

年月日

评阅教师评语及成绩

评阅教师：

年月日

答辩小组评语及成绩

答辩小组组长：

年月日

答辩委员会意见

学院答辩委员会主任：

年月日

注：

该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书（论文）中。

毕业论文中文摘要

摘要化学镀Ni-P方法制备镀层是提高锆铝合金耐蚀性的有效途径。

本研究是在铝含量分别为8.8wt%、8.4wt%和8.0wt%的锆铝合金表面通过化学镀Ni-P方法制备Ni-P合金镀层以达到表面改性的目的。

实验中，锆铝合金通过超声波清洗、碱性除油、酸洗、磷化处理的前处理后采用弱酸性和强酸性两种不同镀液配方施镀。

最后，对镀层的物相、表面和截面形貌和电化学腐蚀极化行为分别进行分析。

分析发现，不同配方的镀液均能使合金表面获得10-20μm的非晶Ni-P镀层，镀层在显微镜下呈胞状。

铝含量为8.4wt%的锆铝合金采用温度60℃，pH为3，时间2min的磷化处理后使用弱酸性镀液施镀可获得较好的镀层；铝含量为8.8wt%和8.0wt%的合金磷化处理的最优条件是温度45℃，pH为2.5，时间2min，选用强酸性镀液施镀，可以获得各方面相对优良的镀层。

Ni-P合金镀层增强了基体的耐蚀性，不易造成电偶腐蚀，对基体有很好的保护作用。

关键词表面改性化学镀Ni-P锆铝合金耐蚀性

毕业论文外文摘要

TitleThestudyofelectrolessNi-PplatingonZr-Alalloy

Abstract

Itisaneffectivewaytoimprovethecorrosion-resistanceoftheZr-AlalloythatelectrolessplatingNi-Ponit.ThisstudyistogettheNi-PalloycoatingonthesurfaceofZr-Alalloyswhichcontent8.8wt%、8.4wt%and8.0wt%Albyelectrolessplating.Intheexperiments,Zr-Alalloysneedtobepre-treatmented,andthepretreatmentsareultrasoniccleaning,alkalinedegreasing,picklingandphosphating.Then,theycanbeelectrolessplatedbydifferentplatingbath.Andtheplatingbathincludestrongacidicandweakacidic.Atlast,theywereexaminedbyXRD,morphologyboththesurfaceandsectionandelectrochemicalpolarization.Itisfoundthat10-20μmamorphousNi-Palloycoatingcanbegotbydifferentplatingbath,andthecoatingistobecellularunderthemicroscope.Agoodplatingcoatcanbegotonthe8.4wt%AlZr-Alalloybyphosphatingwhichhasatemperatureof60℃,pHis3andwiththetimeof2minutes,thenelectrolessplatedbyweakacidicplatingbath.Zr-Alalloyswhichcontent8.8wt%and8.0wt%Alneedtophosphatingwithatemperatureof45℃,pH2.5andthetimeis2minutes,thenelectrolessplatedbystrongacidicplatingbath,inordertogetgoodNi-Palloycoatinginallrespects.Ni-Palloycoatingcanimprovethecorrosion-resistanceofthematrix,noteasytocreatgalvaniccorrosion,andithasagoodprotectionfortheZr-Alalloy.

KeyWordsSurfacemodificationElectrolessplatingNi-PZr-AlalloyCorrosion-resistance

目录

1绪论1

1.1表面处理2

1.2化学镀4

1.3化学镀Ni-P5

1.4存在的问题及本研究的目的8

2实验9

2.1本课题的研究思路9

2.2实验过程9

3实验结果与分析20

3.1磷化处理分析20

3.2沉积效率分析21

3.3镀层显微形貌分析22

3.4Ni-P镀层物相分析26

3.5极化曲线分析26

结论29

致谢30

参考文献31

１绪论

光学金相技术对揭示合金内部组织的奥秘起了十分重要的作用。

随着科学技术的高速发展，普遍的金相已满足不了人类对金属材料微观世界的进一步探讨。

但是随着电子金相技术的蓬勃兴起，使对材料的研究进入一个新领域。

作为基础的光学金相技术依然是解决生产实际间题所不可缺少的重要手段。

因此人们为了提高对光学金相的测试水平，必须从提高组织中各相间衬度入手，由此出现了一种崭新的显示方法—彩色金相。

彩色金相技术主要是通过物理或化学的方法，在样品表面上沉积一层干涉膜，利用光的薄膜干涉效应，使金属的显微组织产生鲜明的彩色衬度。

这种方法不仅仅大大提高了光学金相的鉴别能力，而且能够看到一般黑白金相方法无法看到的组织细节。

彩色照片与黑自照片相比，具有色彩鲜明、分辨率高等特点。

彩色金相的薄膜干涉效应，对于显微组织中的成分偏析、晶粒位向以及应力分布状态等很敏感，因此彩色照片能提供更加十富的组织细胞。

另外，彩色金相对于难以浸蚀的合金和复合材料的显微效果也很好［１］。

可见彩色金相作为一种前景可观的现代技术日臻取代传统的墨白金相趋势不可逆转。

黑白金相不能解决的众多问题正由于彩色金相技术而迎刃而解。

这是因为彩色金相增加了色彩信息数量，使黑白金相中许多难以辨别或不能辨认出来的若干显微结构中的细节很容易地得到显示，大大提高了对相的分辨力，从而展现了其定量化的绝对优势。

此外，一张鲜艳而色彩分明的彩色金相照片，能给人以美的享受。

虽然彩色金相有很多的优点，但是彩色金相技术对于拍摄彩色金的设备和操作技术有很高的要求，使推广使用受到一定局限。

因此，在不增加经费开支的前提下，利用现有的普通金相显微镜，按照彩色金相的操作技术要求，拍摄出彩色金相照片，具有实用价值［２］。

总之彩色金相技术为光学金相开拓了一个崭新的领域，它代表了现代光学金相的发展方向，为古老的传统光学金相技术恢复了青春,并展现出了广阔的前景。

１.１　彩色金相技术的应用与发展

早在上世纪70年代初，我国就开始利用光学金相法，观察和研究钢中非金属夹杂物的色彩和光学特性，并发表了关于铬铁矿、氧化亚锰和硅酸盐夹杂物的本来色彩和光学特征的一些彩色照片[３］。

目前，彩色金相法的在国内的应用已相当广泛。

在近十几年中，出现了离子溅射，真空蒸镀技术和蚀刻沉积等数十种新方法。

彩色法早已被应用于金属学，冶金学的各个方面，对全属姐织的分析、研究起了极大的作用。

在国内，与彩色金相研究相关的最新的著作是2009年7月经机械工业出版社出版的《铸铁彩色金相学》，该书介绍了借助彩色金相的方法将高温组织及室温转化相进行彩色金相显示，然后根据所获得的金相组织用铸铁的现代凝固结晶理论来论述凝固组织的形成、转变及其相互关系[４]。

作者在书中运用了大量彩色图片进行分析，并从这些彩色图片中观察到在常规金相中未能显示的结晶现象。

随着显示技术的变革，在金相技术的理论上开辟了一个崭新的天地，由于在实验技术上引用了一系列的近代形膜方法，最大程度上丰富了光学金相的内容，增加了反映显微组织状态的信息，为精确的定量分析创造了有力的条件，充分挖掘了光学金相技术的内在潜力，开拓了新的应用领域，大大促进了彩色金相技术的发展。

当然，尽管彩色金相技术能通过丰富的色彩差别区分开组织中各种不同相或不同成分区域，但却不能测定相的结晶构造或成分偏析区中具体元素的含量及分布。

而这就需要借助电子显微分析技术，通过电子衍射及电子或离子探针分析来解决。

但通过彩色显示所提供的信息却能使电子衍射及探针分析能更有目的、更有针对性地进行实验。

这不仅提高了分析的效率，而且也可以根据彩色显示纺果来进一步判断电子显微分析的结论是否真实和可信。

而且，一旦借助电子显微技术将所确定的金属相的类型、晶体的取向程度和成分分布的特点同彩色金相显示的结果相对应，并找到其间的联系与规律后，就将赋于彩色金相以鉴别材料组织及相的能力。

这对于光学金相应用范围的扩大和辨别本领的提高，无疑是一次很大的跃进。

所以，彩色金相技术的发展不仅拓宽了光学金相的应用领域，而且还为电子显微分析技术提供了可靠的分析依据，密切了二者之间的关系。

因之，光学金相与电子显微分析技术之间的关系是互相补充互相借鉴的关系，决不是后者取代前者的关系。

彩色金相技术的发展也为定量金相学奠定了良好的基础。

材料的宏观性能与其微观组织结构之间的依赖关系已经随着材料科学技术的发展由开始的定性评估过渡到定量分析的阶段。

目前在工厂中广泛应用的等级标准（如晶粒度标准、碳化物标准等），只能作为定性判断材料组织是否合格的参考和初级判段依据，而不能由其说明材料性能与组织间的定量关系。

彩色金相由于能对相的类型、形貌、尺寸及分布提供较准确较丰富的信息，从而使定量金相在建立组织与性能的定量关系中发挥出更大的作用。

这对于材料科学的发展具有深远的意义。

１.２　彩色金相的基本原理

众所周知，鉴别金相组织通常采用的方法是将抛光后的试样进行化学或电化学浸蚀。

由于各种组织（或相）接受浸蚀的程度不同而产生凸凹不平的面，因此在光学显微镜下反映出明暗的差异。

然而在实际分析中，常常又由于不同组织的明暗反差不够，而无法鉴别同时存在的几种相，但是应用彩色金相技术就可以解决这个难题。

彩色金相不但可提高鉴别显微组织中各种相的准确度，而且还便于对图像仪进行定量金相分析。

彩色金相主要是以薄膜干涉现象为基础。

其原理主要是通过化学或物理的方法在金属表面形成一层极薄的干涉膜,然后再利用薄膜干涉效应使金属微观组织产生不同的干涉色,从而显著地提高了对金属组织的鉴别能力［５］。

彩色金相的基本原理是利用化学或物理方法在金属表面形成一层膜。

当一束复合光照在金属表面时，从薄膜外面与空气交界处反射的光束与薄膜和试样表面交界处反射的光束之间将产生干涉，干涉的结果决定于两束反射光间的位相差。

图1.1空气-膜-金属类型的干涉效应示图

由图１.１可见，两束光的总位相差δ为：

（1-1）

其中，ds—薄膜厚度；ns—薄膜折射率；

—光线辐射角；

—空气/薄膜界面上的位相跃变；

—薄膜/金属界面上的位相跃变。

当

时，两束反射光发生相消干涉而被减弱。

由于投射在试样上的复合光为连续光谱，其中总有某一波长λ可以满足干涉的位向条件而被减弱，因此，反射光的光谱组成就发生了变化，这时反射光不再是复合光，而是相干波长的光的补色，这样，金属表面便出现了颜色，这种颜色称为干涉色［６］。

１.３　彩色金相颜色衬度的控制

对于一般实际应用的金属材料来说，绝大多数是多相合金，具有比较复杂的组织状态，彩色金相作为研究金属组织形貌的重要手段，必需把各种不同的相或组织精确地显示出来，区分开来。

因此，对彩色金相来说，我们所关心的不是单一的相形成什么颇色，而是说如何能够使各种相能形成不同的色彩，具有最鲜明的颜色衫度，或者说获得一种最佳的颜色衬度。

通过干涉膜的方法，使不同的相呈现成不同的颜色，从原理上说是没有困难的，只要能够具备下述的任意一个条件［７］：

（1）不同相上形成不同厚度的薄膜；

（2）不同相上形成不同性质的薄膜；

（3）如果不同相上的薄膜的厚度和性质完全相同，而不同相具有显著不同的光学常数。

围绕着如何获得最佳颜色衬度这一主题，建立了一系列的手段和技术，只有熟悉并掌握这些手段和技术，才能对颜色衬度实行自觉的主动的控制，并取得满意的结果。

总之，彩色衬度是一个相当复杂的问题，影响因素也是多方面的，尚有许多理论与实际问题需要进一步探讨。

要想获得一张良好的彩色金相照片，在每一个实验环节上，几乎都要和彩色衬度打交道，因此需要认真地对待。

彩色金相技术的关键是形膜技术［８］。

彩色金相已有的形膜方法如下：

物理方法真空镀膜法

（均厚膜）溅射行膜法

彩色金相

形膜方法

化学方法化学蚀刻沉积法

（非均厚膜）恒电位蚀刻沉积法

热感染法

１.４彩色金相的成像原理

自然界存在千变万化的颜色，都可以通过三种独立的颜色，按一定比例配合而成。

配成颜色的亮度则是三者的总和，色调和饱和度则依三者的比例而变。

这称为三原色原理。

这三个独立的色彩就叫三原色。

三原色可以根据需要自由选择，可以是三个光谱色，也可以是复合色，条件是三色本身要相互独立，同时要能配出尽可能多的颜色。

如前所述，红、绿、蓝三种基本色，可以配出最多的自然色，而且人的视觉就是通过红、绿、蓝三种色感细胞的综合作用产生颜色感觉的，因此，在实际应用中，总是把红、绿、蓝作为三原色［９］。

为了使用上的方便，通常把波长从400nm至700nm之间的光全部叫做可见光，划为红、绿、蓝三个波段，400～500称为蓝色波段，500～600nm称为绿色波段，600～700nm称为红色波段。

三原色可以分别通过三个滤色片的方式来获得，这类滤色片的特点是，只能透过可见光光谱中的1/3，而吸收其余的2/3，因此，三原色的光谱分布如图1.2所示。

有图可见，显然，产生三原色的滤色片是不能

叠合使用的，因为任意二者的叠加，将使所有的可见光都被吸收。

与红、绿、蓝三个原色相对应的是青、品红和黄三个补色。

红与青、绿与品红、蓝与黄都是互补色。

青、品红、黄三补色是从白光中分别减去三原色而成的。

青=白-红，品红=白-绿，黄=白-蓝。

在彩色摄影中，青、品红、黄三补色与三原色一样，具有十分重要的地位。

图1.2　三原色的光谱分布

三补色亦可通过滤色片来获得，不过这类滤色片与产生“原色的滤色片不同，其特点是吸收可.见光光谱中的1/3，而透过其余的2/3。

因此，三补色的光谱分布如图1.3所示。

图1.3　三补色的光谱分布

显然，三补色的光谱分布特点与三原色不同，每一种补色，包含着两个波段的光谱。

如青色包含了绿和蓝两个波段的光，只是在白光中把红色波段吸收了，因此青色也可称为“减红”，同理，品红色也可称为“减绿”，黄色也可称为“减蓝。

产生三补色的滤色片可以两两叠合使用，因为每一滤色片，只吸收可见光的1/3，两个滤色片叠在一起，可透过可见光的1/3,即产生某一种原色。

本来，颜色视觉是光对三种色感观细胞刺激作用的综合结果，颜色感觉与光谱组成并无单一的对应关系，也就一是说，红绿蓝也好，青品黄也好，光谱组成并没有确定的限制。

不过，在研究彩色摄影原理的过程中，如果规定三原色具有图1.2所示的光谱特征，而三补色具有图1.3所示的光谱特征，这样对于科研和理解彩色成象的原理是十分有利的。

１.５　彩色金相的优越性

（1）大大提高组织显示的精确性

与彩色金相相比黑白金相相对组织的显示，主要依赖化学试剂对金属表面的选择性蚀刻，不同的相或显微区域产生不同程度的浸蚀产生凹凸不平，界面形成的槽，而这一过程，会造成全属表面一定程度的破坏相界宽化，组织粗糙，易引起矢真。

在这一点上彩色金相具有明显的优越性。

因为它不需要对金属表面进行激烈的浸蚀.无需产生凹凸不平，不需把粗界蚀刻成沟，而是通过表画的微弱的反应，生成薄膜［10］。

通过不同组织的颜色衬度，相互衬托，特别是物理形膜方祛和热染法，对金属的表面不产生任何拟坏，因此更真实，更精确地把显微组织显示出来，而且意义是很大的。

（2）可以提供更丰富的新的信息

彩色金相是利用薄膜干涉效应产生颜色衬度来显示微观组织结构的，而各种组织结构的因素都可能非常敏感地反映到颜色衬度上去，颜色衬度对组织状态的敏感性和提供信息的广泛性是黑白金相所不可比拟的，因此从彩色金相图像上，往往可以获得非常有意义的信息。

例如，彩色金相对成分的反应异常的灵敏，许多黑白金相中难以表示的成分的微小变化，在彩色金相中均可见到；再如，颜色衬度对于晶体的位向也很敏感，由此可能提供一些与位向有关的新信息，如此等等…。

这些丰富的信息，对于研究一些组织的细节，提供了难能可贵的依据，通

过这些信息，常常可能发现一些新的现象.、新的规律，使光学金相方法对组织的分析研究明显深化，其效益是难以估量的。

（3）显著提高了鉴别率

黑白金相完全依赖组织形貌的灰度差别去鉴别相组织和相。

对于已很熟悉的或着一般比较简单的材料及组织，可以达到一般的鉴别月的，但对于比较复杂的组织，或多相合金，则会常常感到无能为力。

例如:

中、低碳合金钢中贝氏体、马氏体、残余奥氏体的区分，有色合金中的多相组织，高合金钢中不同类型的碳化物或金属间化合物的区分，仅从灰度差往往无法区分，而且形态差别又不明显，所以黑白金相的鉴别能力是非常有限的。

但是彩色金相在这些方面有了很大的改善。

形态和灰度相近的一些不同相，可以通过色调差而鲜明的区别开来，被细密组织所掩盖的一些相，如残余奥氏体，也因颜色不同而被分开，在黑白金相中都是白色颗垃的复杂碳化物，在彩色金相中可以染成不同的颜色，使不间类型碳化物区分开来。

这是彩色金相的一个非常突出的优点、由于它能提供鲜明的颜色衬度，为复杂相的鉴别，为精确的定晕分析打下了基础，为进一步使用电子探针做微观定量分析，提供了准确的位置，显著地提高了分析测试的效益。

事实证明，传统的光学金相一手段鉴别能力低的原因，不完全是因为放大倍数不够，显示方法上的不足，可能更为重要。

（4）形象性与艺术性，毫无疑问也是彩色金相的优点之一

有些优秀的彩色金相图片，也是一个艺术品，具有很高的欣赏价值，当然，我们更注重于它在科学和生产中的作用。

（5）可以大大扩展光学金相的应用领域

随着现代科学技术的发展，陶瓷材料、高分子材料、复合材料的重要性日益增加。

这些材料的性能，在很大程度上也取决于它们的微观结构和组织，但是这些材料一般都有较高的化学稳定性，因此用黑白金相的方法是无能为力的。

此外，这些材料往往有一定的透光能力，在显微镜下观察时，衬度很差，效果不好。

初步的实验结果表明。

彩色金相完全可能解决这些难题，成为这些新型材料的重要研究手段，特别是彩色金相的物理方法、无需要求材料经过化学浸蚀，直接通过镀膜，去反映材料的微观组织。

其意义将是十分深远的，前景是令人鼓舞的。

彩色日金相当然不是万能的，近代材料科学测试技术的发展的特点之一，就是各种测试方法相辅相成，互相补充，从各个不同的角度去揭示材料内部的奥秘。

任何一种方法，都不可能解决一切问题。

彩色金相只是做为众多材料研究的手段之一，由一于它具有突出的优越性而占有重要的地位。

它的序多功能是其它手段所不能替代的，它具有更强的生命力，在材料科学的发展道路上，它将永远发出自己独特的光彩。

1.６　彩色金相方法分类

目前已采用的各种缀饰方法,如表1.1所示[11]：

表1.1各种缀饰方法

缀饰方法

金属表面状态

暗视场照明法

不改变样品表面状态

偏振光法

不形成沉积膜

干涉法、分色法

不形成沉积膜

阳极化法

样品表面受轻微蚀刻

热染法

表面形成干涉膜

化学染色法

样品表面无蚀刻

真空蒸镀膜法

样品表面无蚀刻

离子溅射成膜法

样品表面形成沉积膜

恒电位法

样品表面形成沉积膜

1.７　Zr-Al合金性能

含Al7.5至9.5％（重量）的锆合金的性能取决于它们的微观组织，特别是相成分，在合金的使用温度下，在平衡的状态，Zr2Al在这些合金中作为主要相应当占总体积的50％以上，或者形成连续的或者是半连续的网络。

这些相在合金中的数量在很大程度上取决于热处理的时间与温度[12]。

以Zr3Al基的合金在强度上比工业锆合金Zr-2和Zr-2.5％Nb要高。

这类合金在300℃时的强度极限在870~1150MPa之间，而工业锆合金的强度极限不大于560MPa。

以Zr3Al为基锆合金在相当高的温度（到600℃）下保持高强度。

Al-Zr组织二元相图如图1.4所示。

图1.4Al-Zr组织二元相图

１.７　本课题研究的内容及所采用的方法

彩色金相是根据合金相不同的物理性质，利用薄膜干涉效应，使金属或合金的组织显示成不同的颜色，即产生彩色衬度，有效地提高了鉴别组织能力，彩色金相与黑白金相相比具有许多优点[13]，不仅色彩鲜艳，给人以美的享受，更重要的是其具有更高的鉴别能力，能够提供来自试样的更加丰富的有意义的信息。

本课题的目的是通过对Zr-Al合金彩色金相的研究，便可获得较满意的颜色衬度，明显优于黑白金相，并可显示黑白金相不易区分的组织。

但彩色金相本身也有其局限性，还有许多问题需要解决，如实验技术比较复杂，成本比较高，而且在显示细微组织时色彩效果不理想等，所以彩色金相不是万能的，只有在黑自金相难以胜任而彩色显示又能弥补其不足时，才能取得最佳效果，这也是我们今后探索和努力的方向。

２　实验

２.１　本课题的研究思路

本课题通过采用电解抛光、阳极化着色技术对不同铝含量的Zr-Al合金进行电解抛光及着色。

通过不同电压及不同阳极化着色时间对试样进行着色后，应用　XJP-6A数码显微镜观察合金组织金相。

研究Zr-AL合金彩色金相的影响因素。

２.２　实验过程

本实验主要分为四个部分组成：

1）准备各种实验设备及实验所需的各种药品；2）配制电解抛光溶液和着色溶液；3）试样制备；4）对不同合金的组织进行观察，照相比较，获得最佳的电解抛光配方，着色液配方及工艺。

实验流程图如图2.1所示。

图2.1实验流程图

２.３　配置实验试剂

２.３.１　电解抛光液的配置

取200mL的烧杯若干个，250ml的容量瓶一个。

用自来水洗涤干净，再用去离子水冲洗，装入抛光溶液药品，配好后装入容量瓶中。

抛光溶液成分为冰醋酸、与高氯酸体积比为6：

1。

电解液的选用及具体抛光工艺进程，需要特别强调防爆！

防火！

防毒！

防腐！

注意安全，不可大意。

由高氯酸和冰醋酸组成：

二者混合时，有少量热产生，混合时应将高氯酸缓慢加入到醋酸中去，同时不断搅拌，温度不