[0020] 实施例
[0021] (1)将5mm×2mm×1mm99.5%高纯Ti基底采用Al2O3抛光膏进行镜面抛光,金相显微镜观察表面至无划痕,将抛光后的Ti基底置于含NaOH和Na2CO3的热碱液中进行超声油脂处理,处理温度为90℃,充分超声振荡后用去离子水洗净,干燥备用;
[0022] (2)将处理好Ti基底置于含5wt.%H3PO4的HCl‑H2SO4混合酸体系中进行阳极氧化,其中:370g/L H2SO4,62g/L HCl,0.5g/L SDS活性剂,其余去离子水,冰袋恒温水浴约10℃。2
直流电源,初始电压150V,电流上升后迅速下降至平稳态,约0.1mA/cm ,使Ti基底表面出现平均孔径为300nm的蜂窝状表面结构,有利于活性离子吸附到孔内,沿着孔向外钉扎生长,显著提高Ti基与表面涂层界面结合力;
[0023] (3)将多孔Ti基底置于超声中清洗1分钟,干燥备用。依次经过敏化+活化两步法进行表面预形核Pd原子为后续Ni结晶生长提供活性生长点。敏化液组分为:15g/L SnCl2·2H2O+30mL/L 37.5wt.%HCl,其余为去离子水,在80℃恒温水浴,浸泡时间约2min;活化液成分为:0.2g/L PdCl2·2H2O+5mL/L 37.5%HCl,其余为去离子水,在80℃恒温水浴,浸泡时间~3min,持续到颜色转变为灰褐色且少量气泡断续析出即可。
[0024] (4)将预形核后的多孔Ti基底放置于氨基磺酸镍体系镀镍液中进行电沉积,其中氨基磺酸镍体系镀镍液中,300g/L氨基磺酸镍,45g/L氯化镍,将35g/L硼酸沸水溶解后加入3+
原料中,0.5g/L稀土La 添加剂,pH值调节为6,镀液温度25℃,搅拌均匀后置于双方向超声振荡场中进行双脉冲电沉积,施镀15分钟,完毕后,蒸馏水清洗干燥。电沉积过程中,如图1所示,在沿着电极水平和竖直安置两个方向的声发生器,沿着电极表面水平方向布置频率为70kHz超声发生器Ⅰ,垂直方向设定频率为25kHz超声发生器Ⅱ;之间交互变化周期为5s:
10s,超声功率均为50W。双脉冲电沉积工艺为:双脉冲频率为1500Hz,正负电流占空比2:3,
2
峰值电流密度0.6~1.0mA/cm。其中,高的反向占空比是为了促使被碎化的小枝晶在吸附至活性生长面之后被高脉冲的正向电流还原沉积,确保在不影响Ni晶结晶动力学的基础上,抑制折优枝晶生长和细晶强化等作用,示意图如图2(b)所示。
[0025] (5)将样品置于通有Ar气氛的箱式电阻炉内,初始温度设定400℃,以5℃/min速率升高至750℃,保温1.5h,短时低温的时效热处理有利于组织织构稳定化。从图8(a)中可以看出,未经时效热处理的晶体生长混乱,无明显晶界,经过时效热处理的晶粒晶界明显,有孪晶形成,如图8(b)所示
[0026] 晶体受超声影响过程如图3所示,图3(a)中未引入超声时晶体呈胞状粗晶,图3(b)中引入超声后微射流破碎局部粗大枝晶,从图3(c)中可以看出被碎化的小尺寸晶粒充当新晶胚,在图3(d)中可以看出晶粒均匀细化,从图4(c)中可以看出晶粒尺寸小,晶粒均匀。
[0027] 对比例1
[0028] 与实施例的区别在于,采用直流电沉积工艺,其它工艺、电镀液组分与实施例均保2
持一致,热时效至750℃,保温1.5h。采用直流电的电沉积,电流密度为0.3mA/cm ,电沉积时间15min,其厚度达到约45μm。采用直流电沉积因生长速率过大而存在高的生长应力,外界载荷作用下易开裂,同时晶尺寸粒粗大为300~500nm,结构完整性差,这主要是由于纳米晶Ni生长受直流电场线牵引而发生织构折优生长,示意图如图2(a)所示。
[0029] 对比例2
[0030] 与实施例的区别在于,在无超声场条件下进行。在无超声条件下脉冲电沉积,高的脉冲峰值电流密度和过电位有利于结晶形核且结构致密。然而,无超声振荡会导致电极附近浓差极化和电化学极化,不利于阴极极化,同时电场诱导下的枝晶生长不能被(超声)机械碎化,不利于持续细晶生长,其晶体如图4(a)所示,晶粒粗大。
[0031] 对比例3
[0032] 与实施例的区别在于,沿着电极表面水平方向布置频率为70kHz超声发生器Ⅰ。
[0033] 沿着电极表面水平方向布置单一频率为70kHz的超声发生器Ⅰ,强有力地碎化被电场密度线牵引的折优织构,有利于细化生长。从图4(b)中可以看出,晶粒被细化,但被碎化的晶粒不能被超声微射流及时作用到活性生长点上,被还原成Ni颗粒悬浮在溶液中,不利于形成致密完整的镀层表面,显著降低电沉积速率。
[0034] 对比例4
[0035] 与实施例的区别在于,沿着电极表面垂直方向设定频率为25kHz超声发生器Ⅱ。
[0036] 沿着电极表面垂直方向设定频率为25kHz超声发生器Ⅱ,从图4(d)中可以看出,在超声微射流作用下,有利于被超声作用碎化后的晶粒重新回归到活性生长点上,起到“形核增值”效果,沿电场密度线水平方向上织构生长是主体,层状生长是被动的缓慢生长,使用垂直方向超声发生器Ⅱ作用效果不理想,不利于细化晶粒和快速生长。
[0037] 从图5(a)中可以看出织构在无超声振荡的电沉积过程中产生了较为明显的择优生长趋势,特别是沿低表面能(111)方向择优取向明显,然而加入超声振荡后织构折优生长趋势被抑制,实施例中出现了沿高能面(222)和(311)等方向任意生长,且(111)择优生长强度被削弱并出现明显“宽化”现象,说明织构被细化。同时,图5(b)为根据经典的Scherrer公式推导出不同取向方向上的纳米晶Ni理论尺寸分布,与对比例2‑4比较可以看出实施例中的织构生长较为均一,晶粒尺寸分布在100‑150nm左右,与图4(c)基本吻合。
[0038] 由于交变频率超声对织构破碎和抑制择优取向生长作用,晶粒细化且结构完整,使得样品的机械性能得以提升。从图6和图7中可以看出实施例显示出良好的韧性和抗磨损性能,其中摩擦系数低至对比例2的1/2;纳米压痕实验结果,其数值如表1所示。
[0039] 表1纯钛基体、实施例、对比例2、对比例3、对比例4的性能测试结果[0040]
[0041] 从图9可以看出,实施例中镀层试样的显微硬度HV0.2比对比例高2~3倍,且其显微硬度HV0.2在经过时效热处理后产生了进一步的提升。