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摘要：復(fù)合電沉積技術(shù)是在鍍液中加入不溶性微米或納米固體粒子(如TiN、AlN、SiC和Al_2O_3等),通過電沉積的方式,使固體粒子與基質(zhì)金屬離子共同沉積的一種方法。納米復(fù)合鍍層由于具有良好的光學(xué)非線性、磁性以及機(jī)械性能(如高強(qiáng)度、高硬度和良好的耐磨性能),近年來成為廣泛研究的熱點(diǎn)。目前,納米復(fù)合鍍層的研究還處于探索階段,納米粒子和基質(zhì)金屬晶粒的共沉積理論還不完善;納米復(fù)合鍍層的制備工藝、納米粒子在鍍液和鍍層中的均勻分散問題以及納米粒子在鍍層中的作用機(jī)制等方面的研究還顯得比較薄弱,嚴(yán)重制約著有關(guān)納米復(fù)合鍍層的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。本論文以鎳基TiN納米復(fù)合鍍層為研究對象,采用理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,對超聲-電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的制備工藝和主要性能進(jìn)行研究,并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的粒子復(fù)合量和顯微硬度建立網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。
本論文從鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的制備機(jī)理入手,首先采用超聲-電沉積法制得鎳基TiN納米復(fù)合鍍層。研究分析了超聲波功率、脈沖電流密度、脈沖占空比、TiN粒子懸浮量以及表面活性劑對鎳基TiN納米復(fù)合鍍層顯微組織、顯微硬度以及鍍層中TiN粒子復(fù)合量的影響。同時(shí),利用正交試驗(yàn)法對超聲-電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,超聲-電沉積的主要工藝參數(shù)對鎳基TiN納米復(fù)合鍍層顯微硬度和TiN粒子復(fù)合量的影響主次順序?yàn)?納米TiN粒子的懸浮量>超聲功率>電流密度>占空比>表面活性劑濃度。采用超聲-電沉積方法制備鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的最佳工藝參數(shù)為:鍍液溫度50℃,pH=4.5,復(fù)合電沉積時(shí)間50min,TiN粒子懸浮量8g/l,電流密度5A/dm~2,占空比40%,表面活性劑濃度100mg/l,超聲功率200W。
其次,本論文首先簡述了超聲波在介質(zhì)中的作用機(jī)理。然后,研究了不同的攪拌方式對鎳基TiN復(fù)合鍍層表面形貌、顯微組織結(jié)構(gòu)、鍍層中TiN粒子復(fù)合量以及鍍層磨損量的影響,探討了超聲波在電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層中的作用。并對鎳基TiN納米復(fù)合鍍層進(jìn)行表征。研究結(jié)果表明,超聲波在電沉積鎳基TiN復(fù)合鍍層過程中,具有明顯的攪拌分散作用、強(qiáng)化促進(jìn)作用以及細(xì)化TiN粒子和鎳晶粒作用等。XRD分析表明,在機(jī)械攪拌-電沉積制得的復(fù)合鍍層中,鎳晶粒和TiN粒子的平均粒徑分別為119.3nm和56.7nm:而在超聲-電沉積制得的復(fù)合鍍層中,鎳晶粒和TiN粒子的平均粒徑分別為74.6nm和34.8nm。對鍍層表面XPS分析表明,在鎳基TiN納米復(fù)合鍍層表面存在零價(jià)態(tài)的鎳和Ti元素。
AFM分析表明,電沉積鎳鍍層的表面均方根粗糙度、平方粗糙度和最大高度粗糙度分別為Rms=48.213nm、Ra=39.567nm和Rmax=339.28nm;機(jī)械攪拌-電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的表面均方根粗糙度、平方粗糙度和最大高度粗糙度分別為Rms=27.427nm、Ra=21.857nm和Rmax=174.74nm;超聲-電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的表面均方根粗糙度、平方粗糙度和最大高度粗糙度分別為Rms=19.242nm、Ra=15.719nm和Rmax=125.53nm。這說明超聲波對納米粒子的攪拌分散作用明顯超過機(jī)械攪拌所能達(dá)到的劇烈程度。
為了研究鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的主要性能,分別采用機(jī)械攪拌-電沉積法和超聲-電沉積法制得鎳基TiN納米復(fù)合鍍層和鎳鍍層。利用顯微維氏硬度計(jì)、涂層附著力劃痕儀、腐蝕法、中性鹽霧試驗(yàn)法(NSS)以及磨損試驗(yàn)機(jī)對鎳基TiN納米復(fù)合鍍層和鎳鍍層的顯微硬度、結(jié)合力、孔隙率、耐腐蝕性能和耐磨性能等進(jìn)行對比研究分析。在此基礎(chǔ)上,探討了鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的耐腐蝕性和耐磨性機(jī)理。研究結(jié)果表明,鎳基TiN納米復(fù)合鍍層不僅具有較高的顯微硬度、耐腐蝕和耐磨損性能,還具有較低的孔隙率和摩擦系數(shù)。其顯微硬度大約為鎳鍍層的2倍左右;其孔隙率約為鎳鍍層的1/3左右;其磨損量為鎳鍍層4倍左右。但其結(jié)合力與鎳鍍層相差不大,結(jié)合力都在60～70N之間。耐腐蝕性能實(shí)驗(yàn)表明,試樣的平均腐蝕速率大小依次順序?yàn)?45鋼>機(jī)械攪拌-電沉積鎳鍍層>超聲-電沉積鎳鍍層>機(jī)械攪拌-電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層>超聲-電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層。
最后,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對超聲-電沉積制備鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的TiN粒子復(fù)合量和顯微硬度進(jìn)行建模預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明,所建BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的預(yù)測誤差相對較小,最大相對誤差為5.43%。說明BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的擬合效果較好,準(zhǔn)確率較高。本BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的建立,為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理提供了一種新途徑。
