高温铝合金复合镀层的制备及工艺Word文档格式.docx

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研究了镀层的热性能，镀层在400℃热处理1h后呈现出最好的性能，硬度达930.92Hv。

关键词：

高温合金；

化学复合镀；

硬度；

工艺；

热处理

Abstract

Superalloyhashightemperatureresistance,corrosionresistance,excellentperformance,butbecauseofitsapplicationofenvironmentiscomplex,demanding,itwilloccur,hightemperaturecreepdeformation,etc.,inordertofurtherimprovethehigh-temperaturealloysurfacehardnessandcorrosionresistanceetc，whenused.wetryusingcompositeplatingmeansofstrengtheningthealloysurface.Inthehigh-temperaturealloyplatedaNi-P-Al2O3compositecoating.Theeffectoftheconcentrationsofnano-Al2O3，dispersionmethods,stirringspeedandcompositeplatingtimeonthemicrohardnessofelectrolesscompositecoatingswasinvestigatedbysinglefactorexperiment.Theresultsindicatethatparticlesdispersedinthecoatingpresented，whenusingalcoholdispersion，Coatinghardnessdecreasesafterthefirstincreaseandreachingamaximumat1g/L,Whentheparticleconcentrationisgraduallyincreasedduring0.5g/L-9g/L;

coatinghardnessdecreased,thehardnessmaximumis100r/min,whenthestirringspeedisgraduallyincreased;

thecoatinghardnessdecreaseswithtimeafterthefirstrise,whenthetimeis1h,coatinghardnessismaximum.

Thecompositeplatinghasgoodproperties，compositeplatingmicrohardnessis609.18HVwhenthenano-Al2O3particlesisalcoholicwetting,theconcentrationofAl2O3is1g/L,thestirringspeedis100r/min,thetimeofcompositeplatingis1h.Thethermalpropertiesofthecoatingin400℃×

1hheattreatment,theelectrolesscompositeplatingmicrohardnessisupto930.92Hv.

Keyword:

superalloy;

chemicalplating;

chemicalcompositeplating;

microhardness;

corrosionresistance

第一章绪论

1.1高温合金

1.1.1高温合金简介

常将能在600~1200℃以下，承受一定应力下工作的冶金称为高温合金，在欧美又称为超级合金。

高温合金为结构比较单一的奥氏体基体组织。

高温合金拥有较高的高温强度、抗氧化和抗热腐蚀能力，良好的抗疲劳性能、韧性和塑性等独特的性能，因此高温合金被称为耐热合金或热强合金。

1.1.2高温合金按照基体元素分类

（1）镍基高温合金

镍基高温合金指的是以镍为基体，镍的含量达45％以上，合金组成主要以Ni-Cr系添加多种元素（W、Mo、Al、Ti以及Nb、B、Zr、Co）而得到的高温合金。

此类合金又分为非时效硬化合金和时效硬化合金。

这种合金具有优异的抗氧化性能，是目前高温合金中抗氧化性能最好的合金。

在制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的最热端零件中得到广泛的应用，如涡轮部分的工作叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等。

（2）钴基高温合金

钴基高温合金，指以钴为基体，除含镍、铁、铬、钨等元素外，钴含量达50％以上的高温合金。

该合金具有良好的延展性，适用于需耐腐蚀的环境，工作温度高达1000℃。

钴基高温合金较容易被铸造和焊接，在导向叶片材料中应用较多。

但是，由于该合金的资源较少，钴的价格昂贵，近年来，已很少开发新牌号。

（3）铁基高温合金

铁基高温合金，通常又被称为耐热钢。

此类合金价格较低，但抗氧化抗腐蚀性差。

不平衡下状态下的组织可分为奥氏体（GH36）和珠光体（GH34）两种，同时又可分为同溶强化合金和时效硬化合金。

经时效硬化处理后，此种合金在600~700℃下会有良好的硬度和强度。

在发动机中工作温度较低的部位，例如：

燃烧室、涡轮盘、机匣和轴等部件中，铁基高温合金被广泛采用。

多数合金是从Fe-Cr-Ni系添加W、Mo、Nb、B等元素而得到。

此外还有镍钴、镍铁基高温合金，这类合金是介于镍基和钴基、镍基和铁基之间的分支。

此类合金镍的含量为30％-45％。

它抗高温氧化性高于铁基高温合金，应用极为广泛[1]。

1.1.3高温合金的应用

（1）高温合金在燃气涡轮发动机上的应用

高温合金通常用于工作温度540℃以上的涡轮部件。

导向叶片工作温度为1100℃以下，涡轮盘工作温度为760℃以下，燃烧室和加力燃烧室的工作温度约800~1100℃，火焰筒常在1100℃以上温度工作[2]。

（2）高温合金在电力工作中的应用

电力工业包括水电、煤电、气电、核电和新兴能源发电等方面。

在煤电领域，煤炭燃烧要发热，必须用到高温合金。

例如锅炉中的过热器和再热器是环境最恶劣的部件，承受高温高压，这就要用到高温合金，至于其他部件，就不一一列举了。

在气电领域，气电所需要的主要电力设备是燃气机轮，燃气发热需要高温合金。

在核电领域，需要把核能转化成热能，热能传入到水中产生水蒸气带动发电机发电。

核能转化成热能温度很高需要高温合金[3]。

1.2化学镀发展及研究现状

1.2.1化学镀的概述

化学镀是在没有外加电流的情况下，通过溶液中适当的还原剂在试件表面发生自催化还原反应沉积处金属镀层的方法。

化学镀的过程实质是氧化还原反应，有电子转移、无外加电源的过程。

化学镀技术自诞生之日起到现在有六十多年的历史，镀液由单一型向多样型发展，镀层性能由单一防护性向具有多功能性的方向发展，而且镀层质量得到了迅速提高。

现在已趋向于成熟，并且在工业上各领域得到了广泛的应用。

其中Ni-P化学镀是最常用的一种化学镀[4]。

1.2.2Ni-P化学镀的工艺条件

（1）温度对Ni-P化学镀工艺的影响[9]

化学镀Ni-P合金镀液可分为酸性（pH为4～7）和碱性（pH为8～11）两种。

pH值是化学镀镍的重要工艺参数，对化学镀镍有多方面的影响：

随pH值升高，镀速升高，镀层中磷含量降低，亚磷酸盐溶解度降低，使镀层变得粗糙，pH值还会影响镀层的内应力和结合力。

酸性镀液的特点是溶液比较稳定易于控制，沉积速度快，镀层中磷的质量分数较高（2%～11%），在酸性溶液中所获得的镀层具有结合力强，硬度高，耐磨性和耐蚀性好等优点。

碱性镀液的pH值比较宽，镀层中磷的质量分数较低（3%～7%），但镀液对杂质比较敏感，稳定性较差，难维护。

镀层在结合力、硬度、耐蚀性和耐磨性相对酸性溶液均较差，所以这类镀液不常使用。

（2）温度对Ni-P化学镀工艺的影响[6]

众所周知，温度是影响化学反应动力学的重要参数，因为温度增加了离子扩散、反应活性加强，所以温度是影响Ni-P化学镀镀速的一个重要参数。

因为在整个施镀的过程中的大多数氧化和还原反需要热能，所有各种镀液，在所有pH值下都是如此。

许多单独的反应步骤只能在50℃以上才能有明显的速度进行，尤其是酸性化学镀镍溶液，必须在明显高于此值的温度下操作。

实际上所有酸性次亚酸盐镀液，操作都在85～95℃之间进行。

1.2.3化学镀Ni-P的特点

化学镀Ni-P目前已经广泛的应用在钢、铜、铝等导体和木材、塑料等非导体上，它的一些特点也逐渐显露出来，这使得化学镀镍在金属和非金属表面处理领域中占有重要的地位，其主要特点如下[7,8]：

（1）镀层外观良好、化学稳定性高、镀层结合力好。

（2）镀层硬度高、耐磨性良好，厚度均匀。

（3）综合性能好。

由于化学镀镍层含磷量的不同及镀后热处理工艺的不同，镀镍层的物理化学特性，如硬度、耐蚀性能、耐磨性能、电磁性能等具有更多的变化。

（4）以次磷酸钠为还原剂时，由于有磷析出，发生磷与镍的共沉积，所以化学镀镍层是磷呈弥散态的镍磷合金镀层，控制磷含量能够得到镍磷镀层更致密，孔隙率小，耐蚀性等优于电镀镍的镀层。

（5）施镀对象多元化。

化学镀镍可以施镀于金属导体、非金属导体、绝缘体上以及可以镀覆形状非常复杂的工件。

（6）化学镀设备简单，节约能源，对环境污染小。

1.2.4化学镀镍的原理

（1）化学镀镍的热力学

化学镀镍是用还原剂把溶液中的镍原子还原沉积在具有催化活性的表面上。

其反应式为[5]：

NiCm2++R→Ni+mC+O（1-1）

式中C为络合剂，m为络合剂配位体数目，R、O分别为还原态和氧化态。

上式可以分解为：

阴极反应：

NiCm2++2e→Ni+mC（1-2）

阳极反应：

R→O+2e（1-3）

该氧化还原反应能否自发进行的热力学判据是反应自由能的变化289。

次磷酸盐作还原剂化学镀镍的自由能变化如下：

还原剂的反应：

H2PO2-+H2O→HPO32-+3H++2e（1-4）

289=-23070卡/克分子

氧化剂的反应：

Ni2++2e→Ni（1-5）

289=910612卡/克分子

总反应：

Ni2++H2PO2-+H2O→HPO32-+Ni+3H+（1-6