2021 年5 月第45 卷第5期 Vol. 45 No. 5 May 2021
MATERIALS FO R M ECHANICAL ENGINEERING
DOI ： 10.11973/jxgcc!202105004
筛板塔
电化学腐蚀性能的影响
(1.丹东浩元仪器有限公司，丹东118009;2.上海交通大学材料科学与工程学院，上海200240)
摘要：在添加不同含量Y 203纳米颗粒（质量浓度分别为0,5,10,20 g *L _1)的电镀溶液中沉 积Ni -W 合金涂层，研究了 Y 203纳米颗粒的加入对涂层显微组织、微观形貌和电化学腐蚀性能的 影响。结果表明：Y 203纳米颗粒的添加减少了涂层表面结节状结构，细化了涂层晶粒，增大了微 观应变； 当Y 203纳米颗粒的质量浓度在5〜10 g .L —1时，所得涂层的表面粗糙度小于未添加纳米 颗粒涂层的，但当质量浓度增至20 g *L —1时，表面粗糙度高于未添加纳米颗粒涂层的；Y 203纳米 颗粒的添加提高了涂层的耐电化学腐蚀性能，并且当Y 2C )3纳米颗粒的质量浓度为10 g d ，1时，涂 层的耐电化学腐蚀性能最优。
关键词：电化学沉积；组织结构；Ni -W 合金涂层；耐电化学腐蚀性能中图分类号：TB31
文献标志码：A
文章编号：1000-3738(2021)05-0022-05
Effect of Y203 Nanoparticle on Microstructure and Electrochemical Corrosion
(1. Dandong Haoyuan Instrum ent Co., L td.» Dandong 118009, C hina ；
2. School of M aterials Science and Engineering, Shanghai Jiaotong U niversity, Shanghai 200240, China)
Abstract ： T he Ni-W alloy coating was deposited in the electroplating solutions w ith different content (m ass
concentration of 0, 5, 10, 20 g *L _1) of Y203 nanoparticles. T he influence of Y203 nanoparticle addition on the m icrostructure, microm orphology and electrochemical corrosion properties of the coating was studied. T he results show that the addition of Y 2〇3 nanoparticles reduced the surface nodular structures of the coatings，refined the grains, and increased the microscopic strains. W hen the mass fraction of Y203 nanoparticles was between 5 —10 g* L-1 , the surface roughness of the coating was lower than that w ithout nanoparticles ； when the m ass fraction of the nanoparticles increased to 20 g*L 1 , the surface roughness was larger than th at w ithout nanoparticles. T he addition of Y203 nanoparticles im proved the electrochemical corrosion resistance of the coating. W hen the m ass fraction of the nanoparticles was 10 g*L_1 , the coating had the best electrochemical corrosion resistance.
Key words ： electrodeposition ； m icrostructure ； Ni-W alloy coating ； electrochemical corrosion property
韩雨辰\邢士龙2，姜传海
Properties of Electroplated Ni-W Coating
HAN Yuchen1. XING Shilong2, JIANG Chuanhai 2
〇引言
收稿日期：2021-03-01；修订日期：2021-04-09
作者简介：韩雨辰（1988—)，男，辽宁丹东人，助理工程师，学士
由于具有强度高、耐磨、耐腐蚀、环境友好[1]等 诸多优异性能，镍钨(Ni -W )合金正逐渐取代硬铬合 金成为耐蚀性硬质涂层方面研究的热门材料。电镀 是一种经济且简单的镀层制备方法，能够在零件不 同部位沉积上一层均匀且具有一定厚度的涂层。电
镀法制备的Ni -W 涂层不仅比电镀硬铬涂层具有更 高的硬度和耐蚀性，而且电镀法制备Ni -W 合金涂 层对环境友好，是一个有价值的研究方向[2]。影响
Ni -W 合金涂层性能的因素有很多，包括电镀溶液 组成[3]、温度、pHw 以及电流密度[5]、磁力搅拌转速 等；这些因素对涂层性能影响的研究很多。为了进 一
步提高Ni -W 合金涂层的性能，使其适应更复杂、
更苛刻的工作环境，研究人员尝试了很多新的工艺 和方法。其中，在Ni -W 合金涂层中添加纳米颗粒
22
韩雨辰.等：Y 2〇3纳米颗粒对电镀Ni -W 涂层组织结构和电化学腐蚀性能的影响
®m r ：
MATERIALS FO R M ECHANICAL ENGINEERING
是一种非常有效的方法。常用的纳米颗粒包括各种 陶瓷及氧化物颗粒，例如金刚石、碳化硅、氧化锆[6]、 氮化硅[7]等。一些新型的纳米材料，如碳纳米管、石 墨烯以及多种稀土氧化物等也得到越来越多的关 注，其中稀土氧化物——
氧化钇(Y 2o 3)纳米颗粒™
能够大幅提高涂层的硬度和耐腐蚀性能，具有较高 的研究价值。
目前，有关添加Y 203纳米颗粒的Ni -W 复合 涂层研究基本集中于电镀条件如电流密度、电镀时 间、温度等方面，关于Y 203纳米颗粒对复合涂层微 观结构和耐腐蚀性能影响的研究尚不充足。为此， 作者利用多种分析测试方法研究了 y 2o 3纳米颗粒 的添加对Ni -W 涂层微观形貌、晶粒尺寸及耐腐蚀 性能的影响。
1试样制备与试验方法 1.1试样制备
试验所用基底材料为表面尺寸10 _X 10 mm 的不锈钢块。在电镀之前用600#，800#，1200#砂纸 依次打磨基底材料，并用丙酮和酒精依次进行超声清
洗，然后放入体积分数10%的稀盐酸溶液中浸泡30 S
进行活化，用去离子水清洗后立刻放人电镀溶液中。
电镀溶液组成见表1，其中Y 203颗粒粒径在40〜 80 nm ，由上海麦克林生化科技有限公司提供，其他 试剂均为分析纯，由中国医药集团有限公司提供。 电镀时的阳极选用镍箔，阳极与阴极基底材料的距 离固定为3 cm 。电镀过程采用直流电源.电流密度 固定为2 A ，dnT 2，电镀溶液温度为65 °C 、p H 为 8.5，磁力搅拌转速为200 p m ir T 1，电镀时间为 60 min 。电镀结束后，将试样在去离子水中超声清 洗1 m in 以去除表面结合较疏松的纳米颗粒。
1.2试验方法
采用JSM -7600F 型扫描电子显微镜（SEM )观 察涂层表面形貌，通过其附带的能谱仪（EDS )进行 微区成分分析。利用FastScanBio 型生物快速原子 力显微镜（AFM )观察涂层表面三维形貌，通过
A FM 数据处理软件（Nanoscope Analysis )获取表 面粗糙度信息。对涂层试样进行减薄处理，利用
JM -2100F 型透射电子显微镜(TEM )观察涂层显微 组织。使用Ultima I V 型X 射线衍射仪（XRD )对 涂层进行物相分析，应用单峰V oigt 近似函数法[9] 计算涂层的晶粒尺寸和微观应变。
表1
电镀溶液组成（质量浓度）Table 1
Composition of electroplating solution (mass concentration)
g«L
NiS04-6H20
NiCl4«6H2C )
Na3C6H507.2H 20
Na2W 04.2H 20
NH4C 1C12H25N a04S
C7H503NS
Y 2O 345
18
158
60
32
0.5
1
0,5,10,20
采用CHI -660电化学工作站在室温下进行电化 学试验，腐蚀介质为质量分数3.5%的氯化钠溶液，工 作电极为涂层试样(工作面积为10 mmX 10 mm )，参 比电极为饱和甘汞电极（SCE )，对电极为铕片。在 扫描速率为1 mV ^-1的条件下进行动电位极化试 验，得到自腐蚀电位和自腐蚀电流密度 在电压幅5 mV 、频率0.01〜1 000 H z 的开路电位 (OCP )下进行电化学阻抗谱(EIS )测试。
2试验结果与讨论
2.1表面形貌
由图1可以看出：未添加Y 203纳米颗粒的 Ni -W 合金涂层表面呈现出均匀、致密且无裂纹的 结节状结构；在添加Y 203纳米颗粒的溶液中电镀 后，Y 203颗粒均匀、无序地分布在涂层表面，其含 量随着镀液中纳米颗粒含量的增加而增多，这说 明Y 203颗粒成功地加人到Ni -W 合金涂层中。
由图2可以进一步看出：未添加Y 203纳米颗
粒的Ni -W 合金涂层表面呈现出明显的结节状结 构；添加Y 203纳米颗粒后，涂层表面的结节变得 较为平缓，说明添加y 2o 3纳米颗粒可以使涂层表 面变得平滑。这是因为加人纳米颗粒电镀时，涂 层的形核点增多；数量更多的形核点使晶粒得到 细化，提高了涂层的整体均匀性，抑制了部分晶粒 的异常长大，从而减少了结节状结构而得到更为 平滑的表面[1°]。
由图3可以看到：未添加Y 203纳米颗粒的
Ni -W 合金涂层的平均表面粗糙度i ?a 和均方根表 面粗糙度i?q 分别为131.5,174.3 nm ；在含5 g -I ，1
y 2o 3纳米颗粒的溶液中电镀所得复合涂层的表面
粗糙度大幅降低，艮和尺q 分别降至82.7,108.4 nm , 这是由于y 2o 3纳米颗粒的添加增加了电化学沉积 形核点，使得晶粒尺寸减小而导致的；随着电镀溶液
真空注型机中Y 203纳米颗粒含量的增加，复合涂层的表面粗糙 度增大，当Y 203纳米颗粒的质量浓度达到20 g *
L _1时，复合涂层的艮和i?q 分别达到了 135.6,
23
W机械工程材料
MATERIALS FO R MECHANICAL ENGINEERING
韩雨辰•等：Y2()3纳米颗粒对电镀Ni_W涂层组织结构和电化学腐蚀性能的影响
(c) 10g-L-' (d) 20 8.1^
图1在不同Y203含量溶液中电镀Ni-VV合金涂层的表面SKM形貌
Fig. 1Surface SEM morpholog> of Ni-W alloy coatings electrcKleposited in solutions with different Y2(), content
648.1 nm
-679.8 nm
752.3 nm
(d)20g L>660.2 nm
-532.5 nm 504.5 nm
-528.2 nm
图2在不同Y2〇3含量溶液中电镀Ni-W合金涂层的表面AFM形貌
Fig. 2 Surface AFM morphology of Ni-W alloy coatings electrodeposited in solutions with different Y203content
Y2〇3质量浓度/以丄-1)
图3在不同Y2()3含量溶液中电镀Ni-W合金涂层的表面粗糙度Fig. 3 Surface roughness of Ni-W alloy coatings electrodeposited in solutions with different Y203content 175.4 nm，高于未添加纳米颗粒的
Ni-W合金涂层，这是由于y2o3纳米颗粒含量增加至一定程度后发 生团聚导致的。
2.2显微组织及结构
图4中不同衬度的区域代表不同取向的晶粒。由图4可以看出，在含10g«L i l O s纳米颗粒的 电镀溶液中所得涂层的晶粒尺寸较小.且不同取向 晶粒的分布更为均匀无序。这说明当电镀溶液中 Y203纳米颗粒的质量浓度为10 g«L1时，复合涂 层的晶粒细化现象更为明显。
24
图7在不同Y203含置溶液中电镀Ni-W 合金涂层的动电位
极化曲线
Fig. 7 Potentiodynamic polarization curves of Ni-W alloy coatings
electrodeposited in solutions with different Y203 content
纳米颗粒的Ni -W 合金涂层的自腐蚀电流密度最 大，耐腐蚀性能最差。
由图8(a )可以看出：所有涂层的N yquist 图在 整个频率范围内均只有一个被压低的半圆，说明有
一个以上的时间常数来描述系统的阻抗响应[11]。 采用图8(b )所示的等效电路模型拟合阻抗数据，图
(a ) Nyquist 图
(b )等效电路模型
图8
在不同Y203含置溶液中电镀Ni-W 合金涂层的Nyquist
图和等效电路模型
Fig. 8 Nyquist plots (a) and equivalent circuit model (b) of Ni-W alloy coatings electrodeposited in solutions with different Y203 content
10
5 10 20Y 2〇3质量浓度/(g.L-1)
0.35
图6在不同Y203含量溶液中电镀Ni-VV 合金涂层的晶粒尺寸
和微观应变
Fig. 6 Grain size and microstrain of Ni-W alloy coatings electrodeposited in solutions with different Y2〇3 content
E/V
35
0.60
400.65(a) 5 g -L '1
(b) lO g.L -1
图4
在不同Y2(h 含量溶液中电镀Ni-VV 合金涂层的TEM 形貌
Fig. 4 TCM images of Ni-W alloy coatings electrodeposited in
solutions with different Y203 content
由图5可以看出：不含Y 203纳米颗粒的Ni-W 合金涂层具有单一的面心立方（FCC )结构，添加纳 米颗粒后复合涂层的XRD 谱中出现了 Y 203的衍 射峰，但涂层整体还是FC C 结构；随着电镀溶液中
保温弯管Y 203纳米颗粒含量的增加，涂层的XRD 谱中出现 了更多的Y 2()3衍射峰，说明涂层中y 2o 3纳米颗 粒的含量增加。
图S
在不同Y203含量溶液中电镀Ni-W 合金涂层的XR1H 普
Fig. 5 XRD patterns of Ni-W alloy coatings electrodeposited in
solutions with different Y203 content
由图6可以看出：涂层的晶粒尺寸随Y 203含 量的增加呈先减小后增大的变化趋势，微观应变的 变化
与之相反；所有涂层的晶粒尺寸都在纳米级，加
人Y 2〇3颗粒后复合涂层的晶粒尺寸比Ni -W 合金 涂层的更为细小，说明Y 203纳米颗粒的加入起到 了细化晶粒的作用。
2.3电化学性能
由图7可以看出：无论是否添加Y 203纳米颗 粒.涂层在腐蚀过程中均存在钝化现象；随着Y 203 纳米颗粒含量的增加，涂层的自腐蚀电位先增大后 减小，说明其腐蚀倾向先减小后增强，当电镀溶液中 纳米颗粒的质量浓度为10 gO ，1时，涂层的自腐蚀 电位最高，腐蚀倾向最小，耐腐蚀性能最好；未添加
机械工程材料
MATERIALS FO R M ECHANICAL ENGINEERING
刺辊韩雨辰，等：Y 2〇3纳米颗粒对电镀Ni-W 涂层组织结构和电化学腐蚀性能的影响
%
/淛
这_藜
5 0
5
5 5 4 40 5 0 5
3 2 2 1
25
韩雨辰，等：Yz ()3纳米颗粒对电镀Ni -W 涂层组织结构和电化学腐蚀性能的影响
机械工程材料
MATERIALS FO R MECHANICAL ENGINEERING
中民为溶液电阻元件；CPE 。为涂层恒定相元；
CPEdl 为双层恒定相元;Rt 为涂层电阻；民，为电荷
转移电阻。与纯Ni -W 合金涂层相比，添加Y 203 纳米颗粒的复合涂层的N yquist 图中拟合半圆的半 径增大，说明Y 203纳米颗粒的加人提高了涂层的 耐腐蚀性能；添加Y 203纳米颗粒后，随着纳米颗粒 含量的增加，Nyquist 半圆的半径先增大后减小，说 明涂层的耐腐蚀性能先提高后降低.当电镀溶液中 Y 20:<；纳米颗粒的质量浓度为10 g *I ，1时，复合涂 层的耐腐蚀性能最好。
3结论
(1)
在Ni-W 合金涂层中加人Y 2():，纳米颗粒
后，涂层表面结节状结构减少，表面粗糙度下降；当 电镀溶液中y 2()3纳米颗粒的质量浓度为5 g M r 1 时，所得复合涂层的表面粗糙度最小，随着Y 2()3纳
米颗粒含量的增加，复合涂层的表面粗糙度增大。
(2) 随着电镀溶液中Y 2()3纳米颗粒含量的增 加，复合涂层的晶粒尺寸先减小后略微增大，但均小 于未添加y 2o 3纳米颗粒涂层的，y 2o 3纳米颗粒的 添加可以细化Ni-W 合金涂层的晶粒。
(3)
与未添加Y 203纳米颗粒的涂层相比，添
加y 2o 3纳米颗粒所得复合涂层的自腐蚀电流密度 降低，耐腐蚀性能提高；当电镀溶液中Y 2o 3纳米颗 粒的质量浓度为10 g*L 1时，所得复合涂层的耐腐 蚀性能最优。
参考文献：
[1] ZHAO Y T, XING S L, WANG L B, et al. Roles of growth
mechanisms of Ni deposits on corrosion behaviors of Nir Al^Ti composite coatings [J ]. Applied Surface Science, 2019, 492: 177-188.
[2] CHAI Z，JIANG C H, ZHAO Y T ，et al. Microstructural
characterization and corrosion behaviors of Ni-Cu-Co coatings electrodeposited in sulphate-citrate bath with additives [J ]. Surface and Coatings Technology,2016,307：817-824.
[3] WANG L B，ZHAO Y T ，JIANG C H ，et al_ Investigation on
microstructure and properties of electrodeposited Ni-Ti-CeQ2 composite coating[J]. Journal of Alloys and Compounds.2018, 754：93-104.
[4] CALDERON J A, HENAO J E, GOMEZ M A. Erosion-
corrosion resistance of Ni composite coatings with embedded SiC nanoparticles[J]. Electrochimica Acta,2014,124： 190-198.[5] CAI F ，JIANG C H ，ZHAO Y T ，et al. Effects of Co contents
on the microstructures and properties of the electrodeposited NiCo-Zr composite coatings[J]. Materials Research Bulletin, 2015,65:195-203.
[6] BELTOWSKA-LEHMAN E.INDYKA P.BTGOS A ,et al. Ni-
W/ZrC)2
nanocomposites
obtained
by
ultrasonic
DC
electrodeposition[J]. Materials 8>^ Design,2015»80： 1-11.[7] LI B S,ZHANG W W ,LI D D ,et al. Microstructural, surface
and electrochemical properties of a novel Ni-B/Ni-W-BN duplex composite coating by co-electrodeposition [J ]. Applied Surface Science,2018,458：305-318.[8] XING S L,WANG L B,JIANG C H ,et al. Influence of Y203
nanoparticles
on
microstructures
and
纸币清分机
properties
of
electrodeposited Ni-W-Y203 nanocrystalline coatings [ J ]. Vacuum, 2020,181:109665.
[9] WANG C X，JIANG C H ，ZHAO Y T , et al. Surface mechanical property and residual stress of peened nickel- aluminum bronze determined by in situ X-ray diffraction [J]. Applied Surface Science ，
2017,420:28-33.[10] WANG L B » CHEN M, LIU H B, et al. Optimisation of
microstructure and corrosion resistance of Ni-Ti composite coatings by the addition of Ce()2 nanoparticles [J ]. Surface and Coatings Technology,2017,331:196-205.[11] ALLAHYARZADEH
M
H, ALIOFKHAZRAEI
M,
REZVANIAN A R, et al. Ni-W electrodeposited coatings ： Characterization, properties and applications [J]. Surface and Coatings Technology ，2016,307:978-1010.
(上接第21页）新方法
[16]杨胶溪•张健全，常万庆，等.激光熔覆W C/N i 基复合涂层高
温滑动干摩擦磨损性能[J ].材料工程，2016,44(6): 110-116.
YANG J X, ZHANG J Q, CHANG W Q, et al. High
temperature dry sliding friction and wear performance of laser cladding WC/Ni composite coating[J]. Journal of Materials Engineering, 2016» 44(6)： 110-116.
26
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议