阴极等离子体电解沉积技术研究进展

阴极等离子体电解沉积(CPED)技术是一种新型材料表面改性技术,在腐蚀防护、高温抗氧化和催化等诸多领域具有潜在应用前景。首先简要介绍了CPED技术的发展历程,包括推进该技术发展的一些重要事件。概述了CPED放电机理的相关研究,包括在其不同发展阶段提出的单一气膜层击穿理论和气-固双电介质层理论模型。在此基础上对CPED工艺及涂层制备的改性调控方法进行了系统性的总结,包括通用性的气膜层改性和特异性的涂层调控改性,并提出了其中的问题和不足。重点综述了近年来CPED技术沉积涂层的研究进展,包括CPED技术制备金属涂层、合金涂层、合金基复合涂层、陶瓷涂层、改性陶瓷涂层和碳材料等方面的研究,着重总结了CPED制备金属和合金基涂层及改性陶瓷涂层的结构与性能。最后,针对CPED技术的研究前景、发展方向和待解决问题进行了展望,包括其潜在的应用领域、工艺与机制研究、可制备涂层体系以及环境友好性的不足和相应的改进研究方向。CPED技术应用潜力巨大,仍需开展更加系统、深入和全面的研究工作,以进一步拓展其可制备涂层体系和应用领域。     

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。     

阴极等离子电解制备抗氧化涂层

目的 通过对阴极等离子电解放电机制进行讨论,提出大面积沉积复杂形状试样的解决办法.方法 在电解液中添加表面活性剂和氯铂酸制备Pt颗粒弥散的复合涂层,通过测试电流密度-电压曲线,分析气膜放电机制,通过扫描电子显微镜对涂层的表面、截面形貌进行分析表征.结果 在电解液中添加表面活性剂或者在阴极区施加微珠,使气膜层更均匀,同时降低了沉积涂层的电流密度.随着Pt含量的增加,涂层孔隙率逐渐降低.涂层中弥散的Pt颗粒起到了弥散增韧的作用,提高了涂层的断裂韧性和抗剥落性能.结论 实现了在大面积复杂形状试样上制备陶瓷涂层,并通过在涂层中弥散Pt颗粒提高了涂层的致密性.     

阴极等离子电解大面积沉积弥散Pt微粒增韧8YSZ热障涂层

采用大气等离子喷涂(APS)在高温合金表面制备一层Ni Co Cr Al Y粘结层,然后采用阴极等离子电解沉积(CPED)制备一层弥散Pt微粒的8YSZ涂层。通过在电解液中加入陶瓷微珠,促使阴极表面发生均匀的等离子微弧放电,实现了在大面积样品上沉积8YSZ涂层。获得的涂层厚度到达120μm,具有多孔结构,由立方相和四方相8YSZ以及Pt组成。1100℃空气中循环氧化的结果表明,随着涂层中Pt含量的的增加,涂层的抗高温氧化和抗剥落性能得到明显提高。Pt微粒对8YSZ涂层的增韧作用主要为:Pt微粒塑性变形吸收裂纹扩展的能量,钝化裂纹尖端,减小裂纹尺寸,提高涂层的临界断裂应力。     

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。     

阴极等离子电解沉积Ni-P和Ni-P-ZrO_2纳米晶涂层

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-P和Ni-P-Zr O2纳米晶涂层。结果表明,提高溶液中Zr O2纳米颗粒的浓度可以降低起弧电压,对Ni-P-Zr O2涂层的成分、结构和性能有着显著的影响。SEM形貌观察表明,阴极等离子电解沉积的Ni-P和Ni-P-Zr O2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的衍射峰宽的计算结果证明这些涂层具有纳米晶粒结构。元素分析结果证明,提高溶液中Zr O2纳米颗粒的浓度,可以提高镀层中弥散Zr O2颗粒的含量,但会降低P的含量。硬度和磨损实验结果表明,Ni-P涂层中弥散纳米Zr O2后,可显著提高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。     

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。     

等离子体电解阴极沉积Y2O3陶瓷涂层

在Y（NO3）3水溶液中,以Fe25Cr5Al合金为阴极,研究了等离子体电解阴极沉积Y2O3陶瓷涂层的规律。研究发现,当施加的槽电压超过临界值时,阴极发生气膜微弧放电,在合金表面沉积出Y2O3陶瓷涂层。研究了施加槽电压、沉积时间、Y（NO3）3浓度对沉积Y2O3陶瓷涂层的影响。扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）分析结果表明,获得的Y2O3陶瓷涂层表面具有熔融的特征,涂层致密与基体结合牢固。探讨了等离子体电解阴极沉积Y2O3涂层的机理。     

等离子喷涂碳阴极TiB_2涂层

采用等离子喷涂法制备碳阴极TiB2涂层,运用XRD、SEM分析测试手段对涂层的形貌、组织和物相成分进行表征,并对涂层孔隙率、结合强度及其电阻率进行分析测试。结果表明,涂层中有部分未完全熔融粒子,涂层存在孔隙,孔隙率为7.15%,较一般等离子喷涂的孔隙率(3%~8%)偏大;涂层与基体结合紧密,具有良好的结合强度(36.5 MPa);粒子喷涂时部分TiB2被氧化成TiO2和B2O3,而B2O3会吸收空气中的水分形成H2BO3;电阻率随温度的升高而减小。     

高能脉冲等离子扫描电沉积ZrO2/Y2O3陶瓷涂层

用高能脉冲等离子扫描电沉积技术在1Cr18Ni9Ti不锈钢表面制备ZrO2/Y2O3复合陶瓷涂层,以提高材料的抗高温氧化性能.陶瓷涂层的表面质量与多项工艺参数有关,通过不同工艺条件下获得的涂层性能对比分析优选出了满意的工艺参数,并分析了相应的作用机理.     

阴极旋转电沉积生物陶瓷涂层的工艺研究

采用一种电化学沉积磷酸钙生物陶瓷涂层的新方法--阴极旋转电沉积工艺.通过测定涂层的XRD、界面结合强度、SEM观察表面与断面,研究了工艺的沉积特性及机理.在该工艺中,作为金属基体的阴极始终处于旋转状态,制备出比普通电沉积工艺更致密、均匀、尺寸更小的磷酸钙生物活性涂层,通过控制旋转速度制备出内部致密、外部多孔的梯度涂层,经后处理转化为羟基磷灰石涂层.通过控制旋转速度获得的梯度涂层,界面结合强度优于普通电沉积生物涂层.模拟体液浸泡后,在涂层表面先析出纳米粒子,之后成长为针状、网状,最后连接成一层.阴级旋转电沉积生物陶瓷梯度涂层具有较高的抗溶解性和生物活性.     

电泳沉积制备TA有机复合涂层及其性能

目的通过便捷的共混方式在聚合物涂层中引入单宁酸(TA)锚定涂层,并改善涂层性能,提供新颖、简单的水性聚合物涂层固定及增强方法。方法通过简单的溶解分散方式将TA混入聚合物自组装成的纳米粒子分散液中,并采用阴极电泳在裸钛表面制备TA复合涂层。通过扫描电子显微镜对涂层形貌进行分析。通过超景深显微镜粗糙度测定、铅笔硬度测试、划格法附着力测试、浸泡法等,分别评价NP-TA_x复合涂层的厚度、粗糙度、硬度、附着力、耐久性等性质。最后通过防污测试评价TA复合对聚合物涂层防污性能的影响。结果成功合成了一种两性离子型水性聚合物PIDS,并自组装成纳米粒子,粒子呈球形形貌,粒径约184.8 nm。将纳米粒子与TA混合后,成功通过阴极电泳技术在钛表面制备复合涂层,通过调节沉积电压和时间可以获得不同厚度及表面微结构的涂层表面,涂层制备简便可控。制备NP-TA_x复合涂层后,TA提高了涂层的成膜性,涂层表面结构变得更为平整。NP-TA_x复合涂层的附着力由NP的2级增加到0级,硬度由NP的HB上升为1H,稳定性也大幅提升。通过防污测试表明,TA复合的两性离子涂层对蛋白质和细菌仍具有良好的防污效果,表明TA复合不会影响涂层现有性质。结论 TA与水性聚合物纳米粒子复合制备涂层,可大大提升聚合物涂层综合性能,是一种新颖、简单而且有效的水性聚合物涂层固定及增强途径。     

新型大气长层流等离子体喷涂方法和研究进展

介绍了一种新型大气等离子喷涂方法,该方法采用特殊内通道结构的直流非转移电弧等离子发生器,可以直接在大气条件下获得长度100～1000 mm之间变化的等离子射流。在大气条件下,等离子射流的流动特性具有"长、直、准"的层流或类层流状态,工作时噪音小于80 dB。在工作参数范围内,等离子射流的长度在固定总气流量条件下可以随输出功率的增加而增长;射流的长度在固定输出功率的条件下随总气流量的增加而减小。当使用在大气等离子喷涂技术中时,会为飞行粉末颗粒带来超长的加热和加速过程。文中详细介绍了大气层流等离子喷涂技术的研究历史和研究现状,以及研究团队利用该新型技术制备的6种涂层的显微结构、颗粒的飞行和加热特点,并对比了目前其他大气等离子喷涂技术的结果。结果表明,文中介绍的方法在最低的输出功率和气流量条件下,为金属和陶瓷颗粒提供了超长的飞行和加热条件,表现为较低的颗粒飞行速度和超高的颗粒表面温度。可以在不同的射流长度或喷涂距离下,获得不同的颗粒熔化状态或涂层结构,并发现可以直接在大气条件下获得大规模气液共沉积的涂层。     

复合电沉积的电化学测试方法与研究进展

采用不同的原料和工艺使金属离子与粉体复合电沉积,可以获得具有独特性能的复合镀层,是目前材料研究的热点领域之一。本文综述了几种复合电沉积研究中常用的电化学测试方法,以及近年来国内外对该工艺的研究进展,并提出了现存的一些问题和今后的研究方向。     

等离子喷涂纳米氧化锆涂层研究进展

等离子喷涂氧化锆涂层用作航空和陆基发动机热保护已经有数十年历史,取得了很好的效果.为了进一步提高发动机的效率和寿命,人们致力发展新的涂层材料和改进现有涂层的结构和性能.文中叙述了中国科学院上海硅酸盐研究所在等离子喷涂纳米氧化锆涂层方面的近期研究结果.通过工艺参数调整控制涂层微观结构,制备了具有纳米结构的3 % Y2O3-ZrO2涂层;较为系统地测定了涂层的物理、力学和热物性能;对比了纳米和常规氧化锆涂层的抗热震行为,初步阐述了不同涂层的热震破损失效机制;对涂层的生物活性和细胞相容性亦进行了初步评价.此外,还展望了等离子喷涂纳米氧化锆涂层的未来研究工作方向.     

反应等离子喷涂 TiN 涂层的研究进展

TiN具有硬度高、韧性好、摩擦系数小、化学性能稳定等优点,广泛应用于刀具、装饰、表面防护等领域。目前制备TiN涂层的方法有很多,如气相沉积、热喷涂、电镀等,反应等离子喷涂则是最常用的金属-陶瓷复合涂层制备方法。概述了反应等离子喷涂技术的基本原理和分类,包括反应等离子喷涂涂层的形成过程及工艺的优缺点。综述了反应等离子喷涂TiN涂层的喷涂工艺及性能的研究进展,包括涂层的制备方法(原位合成法、烧结破碎法)和性能特点,重点分析了涂层的力学性能、耐磨损性能、耐腐蚀性能,并提出了可以依靠热处理工艺或封孔技术来提高涂层的耐腐蚀性能。依据实验和查阅的文献,反应等离子喷涂结合了自蔓延高温合成技术和等离子喷涂技术,可以制备质量优良的厚TiN涂层(500μm),是一种新型的低成本涂层制备技术,但是反应等离子喷涂制备TiN涂层存在孔隙率较高(5%~10%)、结合强度较低(50 MPa)的问题。分别从技术、设备、工艺、后处理四个方面总结了改善涂层质量的相应措施,展望了今后的研究发展方向。     

复合电沉积过程中的界面调控和界面结合研究进展

复合电沉积是一种获得功能镀层的表面防护技术。概述了界面调控与界面结合对复合镀层性能的重要影响。分析了提高界面结合能力的主要机理与方法,即:通过基体表面改性,如增加基体表面粗糙度、提高反应活性、提供外延生长条件和形成预镀层或转化膜层等,增强镀层与基体之间的机械结合、化学键合作用,进而提高镀层与基体间的界面结合力;通过颗粒改性,包括颗粒表面清洁、修饰与吸附等,以改变颗粒微观结构形态和荷电状态,利用静电机制、空间位阻机制和电胶束空间等理论来增强颗粒与颗粒间的分散能力、颗粒与金属离子间结合能力和颗粒所受电化学作用力等,从而提高颗粒与镀层之间的异质相界面结合能力。鉴于镍基复合电沉积的重要性以及颗粒改性对提高其界面结合的关键作用,综述了其颗粒改性工艺研究和影响,包括细化镍基复合镀层晶粒、改变颗粒表面接触状态、增加颗粒沉积量与其对镍基复合镀层性能的影响。最后对复合电沉积的界面调控和界面结合研究做了总结,指出现阶段还存在的问题,并展望了复合电沉积技术在界面调控和界面结合方面的研究发展方向。     

含稀土镀液电沉积镍镀层耐蚀性的研究

借用扫描电镜、电化学分析和腐蚀失重实验方法研究了镀液中添加RE经直流和单向脉冲电沉积方法制备的镍镀层的耐蚀性。结果表明：单向脉冲法制备的镍镀层抗腐蚀能力优于直流法制备的镍镀层抗腐蚀能力，其原因主要归于单向脉冲镀层结晶比较细小致密，直流镀层结晶较粗大且致密性差。