一種液相等離子體強化納米複合鍍層裝置及其使用方法

2023-04-26 10:55:41 1

專利名稱：一種液相等離子體強化納米複合鍍層裝置及其使用方法
技術領域：
本發明涉及一種納米複合鍍層的裝置及其使用方法，具體地說是一種液相等離子體強化納米複合鍍層裝置及其使用方法。
背景技術：
目前，基於納米材料的優異特性和廣泛的應用，納米複合鍍層的製備與表徵已經成為納米科技研究前沿和熱點之一。納米複合鍍層材料就是在金屬單質或合金與各種不同用途的納米粒子通過電化學方法進行共沉積獲得的，總體來說，納米複合鍍層材料具有獲得具有特定性能的，可以滿足不同場合的應用需求。目前國內10餘所科研單位從事納米複合鍍層的製備研究，例如朱荻科研團隊自2001年以後分別採用脈衝電源或直流槽鍍方式製備Ni-SiC、NiIrO2、Ni-LaO3等納米複合鍍層。徐濱士院士採用電刷鍍工藝將SiO2、金剛石等納米顆粒沉積到主體金屬，研究發現該類複合材料也具有良好的耐磨性和耐腐蝕性等物理、化學性能，並已經將其成功應用到廢舊零部件(例如飛機發動機)的修復上，成為再製造領域不可缺少的手段之一。最近還有科研人員嘗試在電沉積過程中弓I入超聲波來輔助製造各類納米複合鍍層，結果發現超聲波的空化效應能夠明顯提高複合鍍層的複合量，使得其綜合性能更加突出。對於上述的研究基本上是基於常規的電沉積原理進行的，存在最突出的問題複合鍍層與基體金屬之間屬於機械結合，結合強度較低，這對於複合鍍層的進一步應用影響巨大。為了能夠提高複合鍍層的結合強度，研究人員也提出了很多方法，目前最常見的方法是採用高強度的雷射對複合鍍層進行熔覆處理。控制雷射工藝參數，利用雷射快速加熱快速冷卻的特點，將鍍層結合處的材料熔化，滲透，並產生重結晶，使得兩者的結合由單純的機械結合轉變為冶金結合，提高了鍍層的結合強度。此外經過雷射處理後還能夠進一步提高鍍層的顯微硬度。但是雷射熔覆工藝也具有如下明顯的缺點工藝參數難以控制、重複性較差，成本高昂、耗能嚴重等。

發明內容
為了克服現有技術存在的問題，本發明的目的是提供一種液相等離子體強化納米複合鍍層裝置及其使用方法，該裝置結構簡單、成本低廉，實用性強。採用該裝置進行液相等離子體強化納米複合鍍層，液相等離子體在電解液體系中自組織原位生成，強化過程在常溫下進行，工藝簡單、操作方便，解決了當前複合鍍層製備出現的結合強度低的缺陷。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的
一種液相等離子體強化納米複合鍍層裝置，其特徵在於該裝置包括攪拌器、溫控儀、 電解液槽、加熱器、磁力泵、過濾機、流量調節閥、陰極、高壓直流電源、陽極和強化室，攪拌器、溫控儀和加熱器設置在電解液槽內；磁力泵的一端與電解液槽連接，另一端通過過濾機與強化室連接；在過濾機與強化室間設有流量調節閥；強化室底部的回流口與電解液槽連接；與高壓直流電源連接的陰極和陽極設置在強化室內。
本發明在強化室的底部出口與過濾機間設有轉子流量計。—種液相等離子體強化納米複合鍍層裝置的使用方法，該方法具體步驟如下
1)通過攪拌器將電解液槽內的電解液混合均，通過溫控儀和加熱器對電解液加熱並控制在設定溫度；設定溫度可以是4(T45°C，電解液溫度保持在4(T45°C ；
2)通過磁力泵和過濾器將電解液槽內的電解液抽送到強化室；
3)採用待鍍件為陰極，不鏽鋼為陽極，將陰極和陽極與高壓直流電源連接；電解液通過強化室底部的回流口回流到電解液槽中，完成電解液循環過程；
4)打開高壓直流電源，施加電壓超過300V，在陰極待鍍件表面產生淺藍色的弧光，經過 3-7min後，在陰極待鍍件鍍層表面形成放電微坑，得到明顯緻密的鍍層。本發明中，電解液成分為甲醯胺(HCONH2) :10 20 g/L，KCl :5 10 g/L，其餘為水。本發明液相等離子體強化工藝原理如圖1所示，高壓直流電源提供液相等離子體所需要的擊穿電壓，納米複合鍍層作為陰極接直流電源的負極，陽極接電源的正極。磁力泵、過濾機、流量調節閥、轉子流量計負責將電解液槽中的電解液以一定的流量抽送到強化室中。在特定的電解液中，如果陰陽兩極之間的電壓超過擊穿電壓時，陰極與電解液界面處的電勢突變產生的高電場強度，就會發生放電現象。此時伴隨著弧光產生。由於放電， 在陰極表面和電解液之間會產生有別於固態、液態、氣態的物質第四態「等離子體」。等離子體可以達到很高的溫度，具有極高的能量密度(10，106w/mm2)，高能量的等離子體性以極短的時間將鍍件與基體加熱到熔凝狀態，使得鍍層材料與基體材料相互滲透，形成再結晶組織，真正實現兩者的冶金結合，大大提高了鍍層與基體的結合強度。本發明利用液相等離子體強大的熱效應對納米複合鍍層進行強化，形成具有冶金結合的納米複合鍍層。該裝置結構簡單、成本低廉，實用性強。採用該裝置進行液相等離子體強化納米複合鍍層，液相等離子體在電解液體系中自組織原位生成，強化過程在常溫下進行，工藝簡單、操作方便，解決了當前複合鍍層製備出現的結合強度低的缺陷。


圖1是液相等離子體強化過程示意圖。
具體實施例方式納米Cu-Al2O3複合鍍層強化工藝。鍍層基體材料45號鋼；鍍層厚度0. 1mm。陽極材料不鏽鋼。電解液成分甲醯胺(HCONH2) :10 20 g/L, KCl :5 10 g/L，其餘為水。一種液相等離子體強化納米複合鍍層裝置，該裝置包括攪拌器1、溫控儀2、電解液槽3、加熱器4、磁力泵5、過濾機6、流量調節閥7、轉子流量計8、陰極9 ；高壓直流電源 10 ；陽極11、強化室12。攪拌器、溫控儀和加熱器設置在電解液槽內；磁力泵的一端與電解液槽連接，另一端通過過濾機與強化室連接；在過濾機與強化室間設有流量調節閥；強化室底部的回流口與電解液槽連接；與高壓直流電源連接的陰極和陽極設置在強化室內。一種採用液相等離子體裝置進行納米複合鍍層的方法，該方法在特定的電解液體系中自組織原位生成。強化過程在常溫下進行，其工藝裝置類似一般的電沉積系統，設備簡單，成本低廉。具體步驟如下
首先將經過攪拌器1、溫控儀2、電解液槽3、加熱器4等設備控溫的電解液從電解液槽 3經磁力泵5和過濾器6的加壓和過濾後抽送到強化室13，電解液最後再通過強化室12底部的回流口回流到電解液槽3中，完成電解液循環過程。在高壓直流電源10提供產生液相等離子體所必需電壓。其中複合鍍層接電源的負極9，不鏽鋼陽極11接電源正極。強化過程中，電解液溫度保持4(T45°C。複合鍍層的強化過程在強化室12中進行，結果發現隨著電沉積電壓的逐漸提高， 在針狀電極表面產生了氣泡量逐漸增加，析氫反應明顯。當電壓提高到一定程度後，電極周圍電解液逐漸開始沸騰，產生的大量氣體漸漸將整個電極包裹起來，產生的氣體已形成一個完整的氣膜將試樣包裹在其中，使電極與周圍電解液完全脫離，此時開始發生局部氣膜擊穿火花放電現象，並伴隨著氣泡爆裂聲
當施加電壓超過300V時，在陰極鍍件表面產生了淺藍色的弧光，大約5min後停止試驗。觀察發現鍍層表面形成了許多放電微坑，形成了明顯緻密的強化層。XRD初步測試表明複合鍍層中部分納米顆粒以及金屬離子進入了基體內部並產生了合金化。本發明利用液相等離子體強大的熱效應對納米複合鍍層進行強化，形成具有冶金結合的納米複合鍍層。該裝置結構簡單、成本低廉，實用性強。採用該裝置進行液相等離子體強化納米複合鍍層，液相等離子體在電解液體系中自組織原位生成，強化過程在常溫下進行，工藝簡單、操作方便，解決了當前複合鍍層製備出現的結合強度低的缺陷。
權利要求
1.一種液相等離子體強化納米複合鍍層裝置，其特徵在於該裝置包括攪拌器(1)、溫控儀(2)、電解液槽(3)、加熱器(4)、磁力泵(5)、過濾機(6)、流量調節閥(7)、陰極(9)、高壓直流電源(10)、陽極(11)和強化室(12)，攪拌器(1)、溫控儀(2)和加熱器(4)設置在電解液槽(3)內；磁力泵(5)的一端與電解液槽(3)連接，另一端通過過濾機(6)與強化室 (12)連接；在過濾機(6)與強化室(12)間設有流量調節閥(7)；強化室(12)下端的回流口與電解液槽(3)連接；與高壓直流電源(10)連接的陰極(9)和陽極(11)設置在強化室(12) 內。
2.根據權利要求1所述的液相等離子體強化納米複合鍍層裝置，其特徵在於在強化室(12)的下端出口與過濾機(6)間設有轉子流量計(8)。
3.—種權利要求1所述的液相等離子體強化納米複合鍍層裝置的使用方法，其特徵在於該方法具體步驟如下1)通過攪拌器(1)將電解液槽(3 )內的電解液混合均，通過溫控儀(2 )和加熱器(4 )對電解液加熱並控制在設定溫度；2 )通過磁力泵(5 )和過濾器(6 )將電解液槽(3 )內的電解液抽送到強化室(13);3)採用待鍍件為陰極(9)，不鏽鋼為陽極(11)，將陰極(9)和陽極(11)與高壓直流電源 (10)連接；電解液通過強化室(12)底部的回流口回流到電解液槽(3)中，完成電解液循環過程；4)打開高壓直流電源(10)，施加電壓超過300V，在陰極待鍍件表面產生淺藍色的弧光，經過3-7min後，在陰極待鍍件鍍層表面形成放電微坑，得到明顯緻密的鍍層。
4.根據權利要求3所述的液相等離子體強化納米複合鍍層裝置的使用方法，其特徵在於電解液成分為甲醯胺:10 20 g/L，KCl:5 10 g/L，其餘為水。
5.根據權利要求3所述的液相等離子體強化納米複合鍍層裝置的使用方法，其特徵在於步驟1)中，設定溫度是4(T45°C，電解液溫度保持在4(T45°C。
全文摘要
本發明公開了一種液相等離子體強化納米複合鍍層裝置，該裝置包括攪拌器、溫控儀、電解液槽、加熱器、磁力泵、過濾機、流量調節閥、陰極、高壓直流電源、陽極和強化室，攪拌器、溫控儀和加熱器設置在電解液槽內；磁力泵的一端與電解液槽連接，另一端通過過濾機與強化室連接；在過濾機與強化室間設有流量調節閥；強化室底部的回流口與電解液槽連接；與高壓直流電源連接的陰極和陽極設置在強化室內。該裝置結構簡單、成本低廉，實用性強。採用該裝置進行液相等離子體強化納米複合鍍層，液相等離子體在電解液體系中自組織原位生成，強化過程在常溫下進行，工藝簡單、操作方便。
文檔編號C25D5/00GK102226289SQ201110158748
公開日2011年10月26日 申請日期2011年6月14日 優先權日2011年6月14日
發明者喬斌, 楊建明, 陳勁松 申請人:淮海工學院