[發明專利]具有納米孿晶結構的純鎳或鎳基合金鍍層及其電沉積制備方法

有效

• 申請號: 202010587604.6
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN112239874B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 段峰輝;潘杰;李毅
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C25D3/16
• 分類號: C25D3/16;C25D3/56;C25D5/08;C25D5/40
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

本發明公開了一種具有納米孿晶結構的純鎳或鎳合金鍍層及其電沉積制備方法，屬于納米晶體金屬材料的制備和鍍層防護技術領域。所述鍍液采用檸檬酸鹽體系，鍍液組成主要包括鎳源?硫酸鎳、合金源(鉬酸鈉或硫酸鈷或硫酸銅)、絡合劑?檸檬酸鈉、添加劑；其余為水。采用直流電沉積制備的純鎳及鎳合金鍍層均由柱狀晶粒組成，柱狀晶粒內部含有高密度平行排列的孿晶片層，平均孿晶片層厚度從1.0nm～100nm。該納米孿晶鎳/鎳基合金鍍層具有高硬度和高熱穩定性。在室溫條件下，純鎳鍍層維氏硬度值為2.0～8.5GPa，結構粗化溫度最高可以超過600℃；鎳基合金鍍層維氏硬度值4.0～8.5GPa，結構粗化溫度高于400℃。

技術領域

本發明涉及納米晶體金屬材料的制備和鍍層防護技術領域，具體涉及一種具有納米孿晶結構的純鎳或鎳基合金鍍層及其電沉積制備方法。

背景技術

鎳及鎳合金(如鎳磷、鎳鉬和鎳鎢合金)是具有光亮銀白色的金屬，在空氣中易鈍化，有較好的化學穩定性，在常溫下亦不受水、大氣和堿的侵蝕。此外，鎳及鎳合金具有較高的硬度、良好的耐磨性和較好的延展性等優點。因此鎳及鎳合金鍍層是應用最廣泛的表面鍍覆層之一，廣泛用于汽車、自行車、儀表、醫療器具、文具用品和日用五金等方面。

近些年來，納米孿晶材料由于其獨特的力學行為，如高強度、良好的塑性和加工硬化能力、較高的熱穩定性及高導電性等，受到了材料學界的廣泛關注。例如，我國著名材料科學家盧柯院士通過在銅的亞微米晶粒內引入高密度的、平行排列的孿晶片層(專利申請號：200310104274.7)，不但提高了銅的強度(達到了傳統粗晶銅的30倍)，還有效的避免了塑性的損失以及維持了較高的導電率(粗晶銅的96％)。香港城市大學的呂堅課題組(文獻1：X.W.Liu?et?al.,High-order?hierarchical?nanotwins?with?superior?strength?andductility,Acta?Mater.,149(2018),397-406.)利用表面機械研磨技術(SMGT)制備了具有五級孿晶結構的純金屬Ag，發現多級孿晶結構在大幅度提高材料強度的同時幾乎沒有引起塑性的下降。德克薩斯AM大學張星航教授研究組通過磁控濺射制備的具有擇優取向的納米孿晶銅(文獻2：O.Anderoglu?et?al.,Thermal?stability?of?sputtered?Cu?filmswith?nanoscale?growth?twins,J.Appl.Phys.103(2008)094322.)以及330不銹鋼薄膜(文獻3：X.Zhang,A.Misra.Superior?thermal?stability?of?coherent?twin?boundaries?innanotwinned?metals,Scripta?Mater.66(2012)860-865.)同時表現出高強度和優異的熱穩定性(結構粗化溫度分別為0.79T_m和0.5T_m)。以上研究結果均表明，構筑納米尺度孿晶界面是一種有效提升金屬材料綜合性能的新途徑。

目前，納米孿晶材料的常用制備方法有電沉積法、磁控濺射法和嚴重塑性變形法(包括SMGT和動態塑性變形法等)。利用這些方法已經制備出具有納米孿晶結構的Cu、Cu-Al合金、Ag和330不銹鋼等金屬材料。金屬材料納米孿晶結構的制備難易程度與層錯能密切相關，層錯能越高，納米孿晶結構越難制備得到。因此，目前關于納米孿晶金屬材料的研究都集中在低層錯能的金屬或合金上(包括前面提及的Cu、Cu-Al合金、Ag和330不銹鋼等)，而對于高層錯能金屬(如Ni和Al)，其納米孿晶結構的制備以及變形行為的研究仍存在大量空白。如何在高層錯能金屬中構筑出高密度和高孿晶占比(f_nt≈100％)的塊體納米孿晶結構仍是亟需解決的難題。