一种铝合金表面恒压电沉积Ni-SiC复合镀层的方法

本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种铝合金表面恒压电沉积ni-sic复合镀层的方法。

背景技术：

海洋中蕴藏着丰富的海洋资源，在海洋资源的勘探设备中，隔水管是海底井口与海上钻井平台的连接通道，与传统隔水管材料相比，铝合金材料具有密度低、强度高和易于加工等优点而被广泛应用于海洋开采过程中。然而面对严峻的海洋环境，铝合金表面所形成的不均匀氧化铝膜会使铝合金表面极易发生点蚀现象，造成巨大的经济损失。因而提高海洋环境中铝合金的耐蚀性能以提高铝合金的使用寿命以及用途具有重要的意义。

其中，通过电沉积方法或化学镀在铝合金表面沉积合金涂层能有效地对铝合金进行腐蚀防护。电沉积得到的合金涂层能阻隔铝合金与海洋介质的直接接触，形成一层防护屏障。同时，电沉积得到的合金涂层能提高铝合金的机械性能，使铝合金在海洋环境中能经受海水的不断冲击。因而，在铝合金表面电沉积同时具有良好机械性能和防腐性能的合金涂层，对于提高铝合金的使用范围和使用寿命具有重要的研究意义。

目前，主要的电沉积工艺有：ni-sic复合电镀、镀铬等。其中，铬金属镀层表现出众多优越性能，如高耐蚀性能、耐磨性能和硬度高等，以及在高温下低氧化速率和较好的强度保持性，解决了铝合金在使用程中出现的磨损问题，提高了其使用寿命。但在电镀铬过程中产生的气体和废液会对人体和环境产生巨大的危害，因此需要寻找一种绿色健康的新工艺来代替镀铬。

ni-sic复合镀层是使用电沉积或化学镀的方法使金属ni与sic颗粒共同沉积而获得复合材料的工艺过程。其作为一项比较新的材料表面处理技术，已成为提高材料表面耐磨、硬度、耐腐蚀等性能的重要方法。相对于镀铬工艺而言，ni-sic复合镀符合国家清洁生产的理念，其工艺过程避免了对人体和环境的污染物，同时ni-sic复合镀层在硬度、耐磨、耐蚀等主要性能上相当或优于铬金属镀层。

但是在海洋环境中，铝合金隔水管不仅面临腐蚀的问题，而且也需要承受海水的冲击，制备得到的涂层如果与基底的结合力不强，则会容易造成脱落，对铝合金表面的性能造成损伤，因而制备出与基底结合力较强且耐腐蚀的ni-sic复合镀层具有重要的意义。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种铝合金表面恒压电沉积ni-sic复合镀层的方法，在铝合金表面制备出与基底结合力较强、具有防腐性能的ni-sic复合镀层。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明提供了一种铝合金表面恒压电沉积ni-sic复合镀层的方法，包括以下步骤：

s1、将铝合金表面打磨至光滑；

s2、将打磨后的铝合金放入碱溶液中，除去铝合金表面的油脂；

s3、将铝合金放入酸溶液中，除去铝合金表面的氧化膜；

s4、将铝合金放入镀锌溶液中，在铝合金表面形成锌置换层；

s5、将铝合金放入酸溶液中，除去铝合金表面的锌置换层；

s6、将铝合金放入镀锌溶液中，在铝合金表面第二次形成锌置换层；

s7、配置电镀液：70g/lniso4·6h2o，115g/lna3c6h5o7·2h2o，35g/lnh4cl，0.1g/lc12h25o4nas，不大于0.5g/l的sic，对配置好的电镀液进行超声处理，使sic颗粒能均匀地分散于电镀液中；

s8、将步骤s6的铝合金放入电镀液中，以铝合金作为阴极，石墨棒电极作为阳极进行恒压电沉积，即可在铝合金表面恒压电沉积得到ni-sic复合镀层。

本发明改善了电镀液的组成，改进了铝合金的前处理工艺(去油脂、去氧化膜、第一次形成锌置换层、去锌置换层、第二次形成锌置换层等)，采用恒压电沉积方法在铝合金表面制备出具有耐腐蚀性能，且与铝合金基底结合力较强的ni-sic复合镀层，对于海洋环境中与海水直接接触的海工设备与零附件的腐蚀防护具有重要意义。本发明的原理如图1所示，首先，sic纳米颗粒的表面吸附镍离子，形成了离子云；然后，在电场的作用下所形成的离子云向阴极移动；最终在铝合金基底表面，镍离子被还原为金属镍，sic纳米颗粒则同时被包覆在金属涂层中。

此外，本发明在电镀液中的碳化硅粉末浓度较低，控制在5g/l以下，相比于其他电沉积方法中的电镀液，没有其他大量的试剂加入，一方面降低成本，另一方面减少了对环境的污染。

优选地，步骤s7所述电镀液中，sic的用量为0.5g/l。

优选地，步骤s7所述的超声处理的时间为1-3h。进一步地，超声处理的时间为1h。

优选地，步骤s8所述的恒压电沉积的恒定电压为(-1)v-(-5)v。进一步地，恒压电沉积的恒定电压为-3v。

优选地，步骤s8所述的恒压电沉积的温度为30-50℃，时间为10-30min。进一步地，恒压电沉积的温度为35℃，时间为10min。

优选地，步骤s8所述的恒压电沉积过程中使用机械搅拌，搅拌速率为200-300rpm。进一步地，搅拌速率为260rpm。

优选地，所述sic颗粒的粒径为20-50nm。进一步地，sic颗粒的粒径为20nm。

优选地，使用1000-5000目砂纸将铝合金表面打磨至光滑。进一步地，分别使用1000，2000和3000目砂纸将铝合金表面打磨至光滑。

优选地，步骤s2具体为：将打磨后的铝合金放入60℃由25g/lna2co3，25g/lna3po4，80g/lnaoh配置的碱溶液中，反应2min，除去铝合金表面的油脂，随后使用去离子水冲洗1min。

优选地，步骤s3具体为：将铝合金放入由300g/lhno3，200g/lhf配置的酸溶液中，室温下反应2min，除去铝合金表面的氧化膜，随后使用去离子水冲洗1min。

优选地，步骤s4具体为：将铝合金放入由10g/lfecl3·6h2o，1g/lc4h4o6kna·4h2o，80g/lzno，500g/lnaoh配置的镀锌溶液中，室温下反应2min，在铝合金基底表面形成锌置换层，随后使用去离子水冲洗1min。

优选地，步骤s5具体为：将铝合金放入由300g/lhno3，200g/lhf配置的酸溶液中，室温下反应5min，除去铝合金表面的锌置换层，随后使用去离子水冲洗1min。

优选地，步骤s6具体为：将铝合金放入由10g/lfecl3·6h2o，1g/lc4h4o6kna·4h2o，90g/lzno，500g/lnaoh配置的镀锌溶液中，室温下反应2min，在铝合金基底表面第二次形成锌置换层，随后使用去离子水冲洗1min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种铝合金表面恒压电沉积ni-sic复合镀层的方法，通过对铝合金施加一定的前处理工艺(去油脂、去氧化膜、第一次形成锌置换层、去锌置换层、第二次形成锌置换层等)，然后在包含镍离子和碳化硅颗粒的电镀液中进行恒压电沉积，在铝合金表面沉积得到与基底结合力较强、具有防腐性能的ni-sic复合镀层。本发明具有以下优点：

(1)可以实现在铝合金表面制备出具有防腐性能的ni-sic复合镀层；

(2)所采用的电镀液中，碳化硅粉末的浓度较低，控制在5g/l以下，相比于其他电沉积方法中的电镀液，没有其他大量的试剂加入，一方面降低成本，另一方面减少了对环境的污染；

(3)电镀液中加入了c12h25o4nas作为润湿剂，同时对电镀液进行超声处理，减少了sic颗粒的团聚；

(4)恒压电沉积过程中通过不断机械搅拌来避免sic颗粒的团聚，提高沉积的效果；

(5)对铝合金进行了二次浸锌处理，提高了镀层与铝合金基底之间的结合力；

(6)制备所得的ni-sic复合镀层不仅具有较好的防腐性能，而且与基底的结合力较强，可以应用于海洋环境中与海水直接接触的海工设备与零附件。

附图说明

图1为恒压电沉积ni-sic复合镀层的原理示意图；

图2为ni-sic复合镀层的微观表面形貌图(a为实施例1、b为对比例1、c为对比例2)；

图3为ni-sic复合镀层的eis曲线图(横坐标轴-zr为阻抗的实部，纵坐标zi为阻抗的虚部)。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到的。

实施例1铝合金表面恒压电沉积制备ni-sic复合镀层的方法

步骤1：将铝合金表面分别使用1000，2000和3000目砂纸进行打磨至光滑。

步骤2：将打磨后的铝合金放入60℃由25g/lna2co3，25g/lna3po4，80g/lnaoh配置的碱溶液中，反应2min，除去铝合金表面的油脂，随后使用去离子水冲洗1min。

步骤3：将铝合金放入由300g/lhno3，200g/lhf配置的酸溶液中，室温下反应2min，除去铝合金表面的氧化膜，随后使用去离子水冲洗1min。

步骤4：将铝合金放入由10g/lfecl3·6h2o，1g/lc4h4o6kna·4h2o，80g/lzno，500g/lnaoh配置的镀锌溶液中，室温下反应2min，在铝合金基底表面形成锌置换层，随后使用去离子水冲洗1min。

步骤5：将铝合金放入由300g/lhno3，200g/lhf配置的酸溶液中，室温下反应5min，除去铝合金表面的锌置换层，随后使用去离子水冲洗1min。

步骤6：将铝合金放入由10g/lfecl3·6h2o，1g/lc4h4o6kna·4h2o，90g/lzno，500g/lnaoh配置的镀锌溶液中，室温下反应2min，在铝合金基底表面第二次形成锌置换层，随后使用去离子水冲洗1min。

步骤7：配置电镀液组成为70g/lniso4·6h2o，115g/lna3c6h5o7·2h2o，35g/lnh4cl，0.1g/lc12h25o4nas，0.5g/lsic，其中sic颗粒粒径为20nm，将配置好的电镀液使用数控超声波清洗器进行超声处理，时间为1h，使碳化硅颗粒能均匀地分散于电镀液中。

步骤8：将铝合金放入配置好的电镀液中进行恒压电沉积，以铝合金基底作为阴极，石墨棒电极作为阳极，使用恒定电压-3v进行恒压电沉积，恒压电沉积过程中保持温度恒定为35℃，时间为10min，恒压电沉积过程中使用机械搅拌，搅拌速率为260rpm，即可在铝合金表面恒压电沉积得到ni-sic复合镀层。

对比例1铝合金表面恒压电沉积制备ni-sic复合镀层的方法

步骤1到步骤6同实施例1。

步骤7：配置电镀液组成为70g/lniso4·6h2o，115g/lna3c6h5o7·2h2o，35g/lnh4cl，0.1g/lc12h25o4nas，1.0g/lsic，其中sic颗粒粒径为20nm，将配置好的电镀液使用数控超声波清洗器进行超声处理，时间为1h，使碳化硅颗粒能均匀地分散于电镀液中。

步骤8同实施例1，在铝合金表面恒压电沉积得到ni-sic复合镀层。

对比例2铝合金表面恒压电沉积制备ni-sic复合镀层的方法

步骤1到步骤6同实施例1。

步骤7：配置电镀液组成为70g/lniso4·6h2o，115g/lna3c6h5o7·2h2o，35g/lnh4cl，0.1g/lc12h25o4nas，1.5g/lsic，其中sic颗粒粒径为20nm，将配置好的电镀液使用数控超声波清洗器进行超声处理，时间为1h，使碳化硅颗粒能均匀地分散于电镀液中。

步骤8同实施例1，在铝合金表面恒压电沉积得到ni-sic复合镀层。

实验例1表面形貌观察与防腐性能测试

使用扫描电子显微镜和阻抗谱图测试对实施例1和对比例1-2制备所得的ni-sic复合镀层进行表面形貌观察与防腐性能测试。

(1)ni-sic复合镀层的表面形貌

使用扫描电子显微镜观察ni-sic复合镀层的表面形貌，如图2所示，在本发明的实施例1和对比例1-2中使用恒压电沉积制备所得的ni-sic复合镀层具有平整均匀致密的表面形貌，碳化硅颗粒在镀层中分布均匀，没有明显的团聚现象。说明采用本发明方法制备的ni-sic复合镀层与铝合金基底的结合力较强。

(2)阻抗谱图测试

使用gamry电化学工作站测试实验制备所得的ni-sic复合镀层的防腐性能。测试使用三电极体系，其中以制备所得的具有ni-sic复合镀层的铝合金样品作为工作电极，铂片电极作为对电极，装有饱和氯化钾溶液的ag/agcl电极作为参比电极，测试溶液为3.5w.t.％的氯化钠溶液，测试频率的范围为100000-0.01hz，测试过程采用10mv的交流扰动，测试前应使三电极体系的开路电压达到稳定。

由图3可以看出，实施例1制备所得的sic浓度为0.5g/l时的ni-sic复合镀层具有优良的防腐性能，而碳化硅浓度继续增大时，则会出现防腐性能下降的情况(对比例1-2)。可见，较低浓度的碳化硅颗粒能更均匀地分布于ni-sic复合镀层中，使得镀层更为均匀致密，从而提高了防腐性能。

由上述实验结果可知，恒压电沉积制备所得的ni-sic复合镀层具有均匀致密的表面形貌，碳化硅颗粒在镀层中分布均匀，防腐性能优良。

以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。