沉积方法对具有微坑结构的Ni-W-TiN纳米复合涂层结构和性能的影响

《Surface and Coatings Technology》：The influence of deposition methods on the structure and properties of Ni-W-TiN nano-composite coatings with micro-pitted shapes

Ni-W-TiN复合涂层通过脉冲电沉积（PE）、喷射电沉积（JE）和超声辅助喷射电沉积（UAJE）制备，结果显示UAJE涂层具有最致密微观结构（RMS≈90 nm）、最高硬度（659.1 Hv）和最低磨损质量损失（3.1 mg），其摩擦系数最低（0.47），在3.5% NaCl溶液中腐蚀电流密度（5.146 μA·cm?2）和腐蚀速率（0.061 mm·year?1）最优，SEM显示表面轻微腐蚀。

　　

朱云伟|魏立新

教育部提高采收率重点实验室，东北石油大学，大庆，163318，中国

摘要

为了提高镍基涂层的性能，采用三种电沉积技术（脉冲电沉积（PE）、喷射电沉积（JE）和超声辅助喷射电沉积（UAJE）在#45钢上制备了具有微坑表面的Ni–W–TiN纳米复合涂层。通过UAJE制备的涂层具有最致密的微观结构、最光滑的表面（RMS粗糙度约为90纳米）、最高的显微硬度（3 A·dm^?2时为659.1 Hv）以及最低的磨损质量损失（3.1毫克）。与PE和JE相比，UAJE涂层还表现出显著改善的摩擦学性能，最小摩擦系数为0.47。XRD和TEM分析证实了UAJE涂层中TiN纳米颗粒的结晶度提高和均匀分散。在3.5 wt% NaCl溶液中，UAJE涂层具有最低的腐蚀电流密度（5.146 μA·cm^?2）和最低的腐蚀速率（0.061 mm·year^?1），腐蚀后的SEM观察仅显示轻微的表面退化。这些结果表明，UAJE是一种有效的方法，可以制备出具有优异机械性能、摩擦学性能和耐腐蚀性能的致密、耐用的Ni–W–TiN涂层。

引言

石油、航空航天和海洋产业的持续发展对结构材料的机械性能、耐磨性和耐腐蚀性提出了越来越高的要求[[1], [2], [3]]。传统的金属材料往往无法满足这些要求，这促使了先进表面工程技术的开发。其中，将金属基体与陶瓷增强剂结合的复合涂层已成为提高材料性能的有效策略[4]。

诸如TiN、SiC、BN和Al?O?之类的陶瓷颗粒经常被掺入镍基基体中，以改善硬度、耐磨性和耐腐蚀性。由于Ti基颗粒具有出色的性能，它们特别适用于极端使用条件[5]。它们的高硬度、化学稳定性和耐热性显著延长了涂层在恶劣环境中的使用寿命。例如，通过高能球磨制备的Fe(III)掺杂TiO?纳米颗粒已被证明是提高电化学和机械性能的有效功能添加剂[6]。

除了复合涂层的发展外，制备微坑或纹理表面也受到了越来越多的关注，因为这有可能进一步提高材料性能。非光滑表面改性涉及使用专门的加工技术在金属表面有意创建微米级的坑、凸起、沟槽或梯度结构[7,8]。这些工程化的表面纹理可以显著改善超疏水性、耐磨性和耐腐蚀性等性能。通过调整表面形态，可以赋予传统光滑表面难以实现的独特功能，为优化各种工业应用中的材料性能提供了新的途径。多项研究强调了这种方法的好处。

电沉积已成为生产镍基复合涂层的广泛采用的方法，因为它具有成本效益高、加工温度低以及涂层厚度和成分可控性优异的优点[9]。然而，传统的电沉积方法通常存在颗粒分布不均匀和陶瓷颗粒掺入效率低的问题。为了克服这些限制，喷射电沉积（JE）引入了高速电解液射流以增强局部质量传递和沉积均匀性[10]。尽管有这些优点，但仍存在颗粒聚集和残余应力等挑战，这限制了涂层致密性和性能的进一步改进。超声辅助喷射电沉积（UAJE）通过将超声振动引入电解液流场，成为JE的一种有前景的改进方法。超声波引起的空化效应和微流效应可以促进纳米颗粒的均匀分散，加速离子迁移，并细化涂层颗粒[11,12]。因此，UAJE可以有效提高涂层密度、颗粒掺入量以及金属基体与陶瓷增强剂之间的界面结合。然而，据我们所知，尚未系统研究过使用UAJE制备微坑Ni–W–TiN纳米复合涂层的方法。

在这项工作中，使用脉冲电沉积（PE）、喷射电沉积（JE）和超声辅助喷射电沉积（UAJE）在#45钢上制备了具有微坑形态的Ni–W–TiN涂层。全面比较了这三种沉积技术对涂层微观结构、硬度、耐磨性和腐蚀行为的影响。通过XRD、TEM、SEM和电化学分析，本研究旨在阐明UAJE的强化机制，并为开发用于先进表面工程应用的高性能Ni–W–TiN涂层提供指导。

部分摘录

制备材料

阳极材料由一根纯镍棒（上海麦克林生化有限公司，中国）组成，直径为3毫米（Φ 3毫米），长度为60毫米。镍棒的详细化学成分列在表1中，这些值是供应商提供的标称成分。阴极基底为一块#45钢板（宝钢集团有限公司，中国），尺寸为50毫米×25毫米×2毫米，其化学成分总结在表2中。这些数据是制造商指定的标称值。

SEM观察

图3显示了不同沉积方法对Ni-W-TiN涂层表面形态的影响。在图3a中，未经处理的#45钢基底表面相对光滑，只有轻微的抛光痕迹，表明其在任何沉积过程之前的原始状态。相比之下，如图3b所示，通过传统脉冲电沉积（PE）制备的涂层表面形态更为不规则，特征是明显的颗粒聚集

结论

XRD和TEM分析证实，通过超声辅助喷射电沉积（UAJE）制备的Ni–W–TiN涂层具有更细的晶粒结构和更高的结晶度，TiN纳米颗粒分布均匀，从而提高了机械强度和结构均匀性。与通过脉冲电沉积（PE）和喷射电沉积（JE）制备的涂层相比，UAJE涂层的微观结构更加均匀和致密，表面光滑

作者贡献声明

朱云伟：撰写——原始草稿，项目管理，研究调查，数据分析。魏立新：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源获取，概念构思。

利益冲突声明

作者之间不存在利益冲突。

致谢

作者感谢扬州市自然科学基金（YZ2024191, YZ2022208）和江苏省高等教育机构自然科学基金（21KJB480013）的支持。