[发明专利]Ni-纳米TiN/MoS2功能梯度镀层的复合层电沉积工艺

说明书

本发明涉及Ni‑纳米TiN/MoS₂功能梯度镀层的复合层电沉积工艺，采用复合电沉积方法，在45#钢、40Cr样件表面制备组织致密、表面平整、厚度均匀的Ni‑纳米TiN/MoS₂功能梯度镀层。借助计算机辅助设计和有限元分析对功能梯度镀层材料分布进行优化；通过合理利用外加物理场，改善电沉积过程、加快镍晶形核及纳米粒子的均匀分布，促进镍晶晶粒细化和提高纳米粒子共沉积量；获得Ni‑纳米TiN/MoS₂功能梯度镀层。本发明具有工艺过程简单、加工效率及质量高，应用面较宽的技术特点。可满足零件在高速、高温、高载荷、腐蚀工况下的使用要求。为金属材料零件的高效、高质、高精表面强化与再制造提供技术支持。

技术领域

本发明涉及非传统加工工艺及表面强化、表面改性处理，具体涉及在45#钢、40Cr材料表面获得镍基纳米TiN/MoS₂功能梯度镀层的复合层电沉积工艺。

背景技术

45#钢、40Cr是性价比较高、在国内外各行业应用非常广泛的金属材料。在装备制造业主要用于制造各种机械零件。各类机械装备通常对于各种金属(合金)摩擦副零件，尤其是加工难度大、制造时间长、制造成本高、附加值较高的重大装备(如：轧机、破碎机、大型切削机床、大型舰船柴油机、燃气轮机、水力及风力发电机组等)的传动轴、齿轮等零件均要求其工作面在高速、重载、高温、腐蚀等恶劣工况下具有良好的耐磨、耐蚀性和较长的使用寿命及失效后可行的再制造(修复)功能。对45#钢、40Cr零件材料进行表面处理与改性及一定范围磨损超差后的修复，以期增强材料的表面耐磨、减摩、防腐蚀性能，提高其强度、韧性抗疲劳性能和使用寿命，一直是国内外先进材料制备、表面工程技术领域关注的焦点。

功能梯度材料(Functionally Graded Materials，FGM)是指组分、结构、物性参数和物理、化学、生物等单一或复合性能都呈连续变化，从而使材料性质和功能也呈梯度变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能的新型复合材料。与简单非晶态合金相比，不仅承受温度和耐冲击力有所提高，而且硬度提高了10倍，耐磨性也增强了几倍。由于FGM具有一般复合材料无法比拟的优点，通过金属、陶瓷、高分子等物质的巧妙结合，在各种对材料有特殊要求的领域有着广阔的应用前景。FGM被认为是21世纪材料科学的一个重要发展方向。根据应用场合的不同，功能梯度材料可设计成金属-金属、金属-陶瓷、陶瓷-陶瓷等多种形式，其中金属-陶瓷功能梯度材料以其优异的特性和新颖的设计理念而备受世人瞩目，其研究与需求最为广泛和迫切。

制备金属-陶瓷功能梯度材料的常用方法有：粉末冶金法、自蔓延高温合成法、等离子喷涂法、激光熔覆法、电沉积法、气相沉积法、离心铸造法、化学镀法等。这些方法大都工艺过程复杂，生产条件苛刻，唯有复合电沉积技术具有独特的优势：常温下进行复合电沉积， 只需要连续改变影响A组分在复合镀层中A组分(或B组分)的工艺参数或操作条件，如镀液组分、阴极电流密度、镀液温度、pH、添加剂、搅拌强度及固体微粒分散量等，就会使镀层中的某组分连续增加或下降，形成梯度分布较理想的连续和阶梯状功能梯度材料。此外，复合电沉积对所镀材料的物理化学性能影响较小，设备简单、效率高、成本较低，适合制备TiO₂/Ni、Cu/TiB₂、WC/Co、Ni/Al₂O₃、Cu/Al₂O₃系功能梯度材料。

将纳米尺度的陶瓷(或金属)微粒弥散于微(纳)米量级的金属(或陶瓷)基体中，形成一系列性能各异的纳米金属陶瓷复合层并固结在零件表面，使各种不同的强化和增韧机理同时起作用，产生叠加、协同效应，使零件具有更加突出的耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、高强度(硬度)和韧性等特性，已成为近几年来国内外关注的研究热点。目前常用的性价比较高的增强性纳米颗粒包括纳米TiN、纳米ZrO₂、纳米Al₂O₃、、纳米MoS₂、纳米SiC、纳米WC、纳米TiC等。