Ni/SiC复合涂层在多种条件下的摩擦腐蚀行为及机理

《Materials Today Communications》：Tribocorrosion behavior and mechanism of Ni/SiC composite coating in multiple conditions

本研究采用电沉积法制备Ni/SiC复合涂层，评估其在酸性、碱性、盐性及干摩擦条件下的腐蚀磨损性能。结果表明，SiC细化晶粒、提高硬度，并形成保护层（如碳膜、硅氧化物及Ni(OH)?等），在酸性及盐性环境中显著降低摩擦系数和磨损深度；碱性及干摩擦条件下摩擦系数增加但磨损深度仍降低，协同效应增强耐蚀耐磨性。

　　在航空航天和汽车工业等高强度应用领域中，组件常常处于酸性、碱性或盐性等严苛环境中，这使得对材料的耐腐蚀和抗磨损性能提出了更高的要求。为了应对这些挑战，金属基复合材料在耦合腐蚀-磨损条件下得到了越来越多的关注。本研究通过电沉积方法制备了Ni/SiC复合镀层，并在0.2 mol/L硫酸、0.2 mol/L氢氧化钠、3.5 wt%氯化钠溶液以及干摩擦条件下对其耐腐蚀和抗磨损性能进行了评估，同时以纯镍镀层作为对照。研究结果表明，SiC显著细化了镍基体的晶粒，提高了镀层的显微硬度，并改善了镀层的表面结构。在酸性和盐性条件下，SiC促进了由含碳膜、二氧化硅和钝化产物（如Ni(OH)?、NiOOH和NiO）组成的复合保护层的形成，从而降低了复合镀层的摩擦系数，并减少了磨损深度。而在碱性和干摩擦条件下，复合保护层的形成相对较少，SiC的存在反而增加了界面摩擦，提高了摩擦系数。尽管如此，SiC颗粒的增强作用与晶粒细化协同作用，显著提升了镀层的抗磨损性能，分别减少了磨损深度45.1%和33.1%。本研究阐明了Ni/SiC复合镀层在不同服役条件下的摩擦腐蚀演变机制，并验证了其在复杂环境中的优越耐腐蚀和抗磨损性能。

镍基复合镀层因其出色的性能，被广泛应用于航空、汽车和能源等行业，用于保护关键部件如起落架、传动轴和涡轮叶片。这些部件通常暴露在结合机械磨损和化学腐蚀的严苛服役环境中，导致材料性能快速退化，缩短使用寿命，并影响运行安全。因此，开发能够同时抵抗腐蚀和磨损的防护涂层具有重要的实际和科学意义。在众多制造方法中，电沉积技术是制备镍基复合材料的常用手段，相较于其他技术具有诸多优势。首先，电沉积是一种简单且成本效益高的工艺，可以在常温下快速沉积。其次，通过调节电流密度、电压和沉积时间等参数，可以灵活控制镀层的成分和微观结构。第三，电沉积能够生产出均匀且附着力强的镀层。在本研究中，基于传统的电沉积原理，开发了一种原位电沉积技术。该技术利用可灵活移动的电极浸入电解液中，直接接触目标表面，形成微电解池，从而实现局部原位沉积。这种方法不仅具备快速沉积和高便携性的特点，还展现出对复杂几何形状部件或局部修复需求的优异适应性。

为了进一步提升镀层的性能，研究人员通常会在镍基镀层中引入陶瓷颗粒，如SiC。已有研究表明，SiC的添加不仅能够细化晶粒、提高显微硬度，还显著增强镀层的抗磨损性能。例如，Gyawali等人在低碳钢上制备了Ni/SiC镀层，并发现其在3.5 wt%氯化钠溶液中的耐腐蚀性能明显优于纯镍镀层。Ma等人进一步指出，适量的SiC能够促进晶粒细化并提高整体结构密度。Mehr等人研究了颗粒尺寸对沉积行为的影响，发现纳米SiC镀层在干摩擦条件下表现出更高的硬度和抗磨损性能。Zhang等人则展示了SiC浓度变化对Ni/SiC镀层微观结构和摩擦学性能的非线性影响，其中在9 g/L浓度时，镀层的抗磨损性能最佳。此外，Chang和Chen等人确认，在6-10 V电压范围内，恒电压电沉积可以稳定实现Ni/SiC共沉积，从而获得致密镀层并增强硬度和抗磨损性能。进一步地，通过超声辅助恒电位沉积和引入二元非离子表面活性剂，可以有效抑制SiC的团聚，显著优化镀层结构的均匀性，并进一步提升其耐腐蚀和抗磨损性能。

然而，大多数现有研究主要评估了单一环境下的腐蚀或磨损行为，缺乏对耦合摩擦腐蚀机制的系统研究。尽管如此，摩擦腐蚀过程中腐蚀与磨损的协同演化、SiC在保护膜形成中的作用以及摩擦腐蚀过程对环境的依赖性仍未被充分探讨。此外，关于氧化物、氢氧化物和含碳膜等摩擦腐蚀产物的具体形成和功能也尚未完全明确，特别是在多样化的服役环境中。为了填补这一研究空白，本研究重点考察了Ni/SiC复合镀层在四种代表性环境下的摩擦腐蚀性能：酸性环境（0.2 mol/L硫酸）、碱性环境（0.2 mol/L氢氧化钠）、盐性环境（3.5 wt%氯化钠溶液）以及干摩擦条件。这些条件被选择以模拟典型的服役场景，如酸洗、碱处理、盐溶液暴露以及无润滑的机械接触。同时，还制备了纯镍镀层作为基准进行对比。

在本研究中，镀层通过多种先进手段进行了全面表征，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、激光扫描显微镜（LSM）、显微硬度测试、电化学方法和摩擦学实验。研究的目标包括：（1）比较Ni/SiC和纯镍镀层在多种环境下的耐腐蚀和抗磨损性能；（2）揭示摩擦腐蚀产物的演变过程及其保护作用；（3）阐明影响Ni/SiC镀层性能的环境依赖性机制。这些研究成果有望为设计适用于复杂服役条件的关键部件的多功能防护涂层提供理论支持和实践指导。

本研究采用Q345钢作为镀层沉积的基底材料，其尺寸为20 mm × 30 mm × 15 mm。在沉积前，基底材料经过机械抛光、电解清洗和阳极活化处理，以确保表面的清洁度和活性。Ni/SiC复合镀层通过一种局部电沉积装置进行制备，该装置的示意图和工作原理如图1所示。镀液的成分和操作参数如表1所示。增强相由SiC颗粒组成，其粒径和分布对镀层性能具有重要影响。通过调节电沉积参数，如电流密度、电压和沉积时间，可以实现对SiC颗粒在镀层中分布的精确控制。此外，为了进一步优化镀层结构，研究中还引入了超声辅助技术，以提高镀层的均匀性和致密性。这些优化措施显著提升了镀层的综合性能，使其在复杂服役环境下表现出更强的耐腐蚀和抗磨损能力。

在表面形貌和微观结构方面，图2展示了纯镍镀层和Ni/SiC复合镀层的横截面形貌、表面特征、元素组成和显微硬度的对比分析。图2a和图2b分别展示了纯镍镀层和Ni/SiC复合镀层的表面SEM图像。纯镍镀层的表面呈现出不规则分布的大小不一的结节状突起，并伴有多个沿不同方向延伸的微裂纹。相比之下，Ni/SiC复合镀层的表面则更加均匀和规则，显示出更少的缺陷和更稳定的结构。这种表面结构的改善与SiC颗粒对镀层的细化作用密切相关。通过电沉积过程中SiC颗粒的加入，不仅促进了镍基体的晶粒细化，还提高了镀层的致密性，从而增强了其机械性能和化学稳定性。此外，SiC颗粒的分布对镀层的摩擦行为也产生了显著影响，使其在摩擦过程中表现出更好的抗磨损能力。

在摩擦腐蚀产物的演变方面，研究发现，在酸性和盐性条件下，SiC颗粒能够促进保护膜的形成，这些膜主要由含碳膜、二氧化硅和钝化产物组成。这些保护膜的形成显著降低了镀层的摩擦系数，并减少了磨损深度。然而，在碱性条件和干摩擦条件下，保护膜的形成较为困难，SiC颗粒的存在反而增加了界面摩擦，导致摩擦系数的上升。这种现象表明，SiC在不同环境下的作用机制存在差异，需要结合具体的服役条件进行分析。尽管如此，SiC颗粒的增强作用与晶粒细化的协同效应显著提升了镀层的抗磨损性能，使其在复杂环境中表现出更强的耐久性。

在电化学性能方面，通过电化学测试，可以评估镀层的耐腐蚀能力。研究发现，在酸性和盐性条件下，Ni/SiC复合镀层表现出优于纯镍镀层的电化学稳定性，其腐蚀速率明显降低。而在碱性条件下，由于SiC颗粒在保护膜形成中的作用有限，Ni/SiC复合镀层的耐腐蚀性能略逊于纯镍镀层。这种差异可能与不同环境下SiC颗粒与腐蚀介质的相互作用方式有关。因此，在设计防护涂层时，需要考虑不同环境对SiC颗粒作用的影响，以实现最佳的综合性能。

在摩擦学性能方面，通过摩擦实验，可以评估镀层的抗磨损能力。研究发现，在酸性和盐性条件下，Ni/SiC复合镀层的抗磨损性能显著优于纯镍镀层，其磨损深度减少了39.6%和40.9%。而在碱性和干摩擦条件下，Ni/SiC复合镀层的抗磨损性能有所下降，其磨损深度分别减少了45.1%和33.1%。这种差异可能与不同环境下摩擦腐蚀产物的形成和作用有关。在酸性和盐性条件下，保护膜的形成有效降低了摩擦系数和磨损深度，而在碱性条件下，由于保护膜的形成受到限制，摩擦系数的增加导致了磨损深度的上升。因此，在实际应用中，需要根据具体的服役环境选择合适的镀层材料和工艺参数，以实现最佳的防护效果。

此外，本研究还探讨了SiC颗粒在不同环境下的作用机制。在酸性和盐性条件下，SiC颗粒能够促进保护膜的形成，从而显著提升镀层的耐腐蚀和抗磨损性能。而在碱性条件下，SiC颗粒的作用相对有限，其对摩擦系数的影响主要体现在增加界面摩擦。这种差异表明，SiC颗粒在不同环境下的作用机制存在显著不同，需要结合具体的服役条件进行深入研究。因此，在设计防护涂层时，应充分考虑不同环境对SiC颗粒作用的影响，以实现最佳的综合性能。

本研究的结论表明，Ni/SiC复合镀层在不同服役环境下的摩擦腐蚀性能具有显著优势。SiC颗粒的加入不仅促进了镍基体的晶粒细化，提高了镀层的显微硬度，还改善了镀层的表面结构，使其在摩擦过程中表现出更好的抗磨损能力。此外，SiC颗粒在酸性和盐性条件下的作用机制与保护膜的形成密切相关，这种保护膜能够有效降低摩擦系数和磨损深度。而在碱性条件下，由于保护膜的形成受到限制，SiC颗粒的存在反而增加了界面摩擦，导致摩擦系数的上升。因此，在实际应用中，需要根据具体的服役环境选择合适的镀层材料和工艺参数，以实现最佳的防护效果。

本研究的成果不仅为镍基复合镀层在复杂服役环境下的应用提供了理论支持，还为设计和优化多功能防护涂层提供了实践指导。通过深入研究Ni/SiC复合镀层在不同环境下的摩擦腐蚀演变机制，可以更好地理解其性能变化的规律，从而为相关领域的工程应用提供科学依据。此外，本研究还强调了SiC颗粒在不同环境下的作用差异，这对于进一步提升镀层的综合性能具有重要意义。因此，未来的研究应继续关注不同环境对SiC颗粒作用的影响，并探索更高效的镀层制备和优化方法，以满足日益增长的工业需求。