論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.12.363

作者、通訊作者均為長安大學徐義庫教授，合作者包括碩士生梁斌娟、高越、本科生鄒嘉緣、花日敏、長安大學陳永楠教授及趙秦陽副教授等。

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長安大學徐義庫教授團隊設計了Ni-P/Ni-Mo-ZrO2非晶/納米晶復合鍍層，并通過脈沖電沉積在純銅襯底上。Ni-P/Ni-Mo-ZrO2雙相鍍層的設計利用了不同結構的特性，并加入了第二相增強顆粒，從而形成了更全面的保護鍍層。采用SEM、EDS、WLI、XRD、TEM等方法對其表面形貌和微觀結構進行了表征。通過磨損試驗、Tafel和EIS研究了鍍層在3.5 wt% NaCl溶液中的力學性能和電化學行為。結果表明:Ni-P/Ni-Mo和Ni-P/Ni-Mo-ZrO2鍍層均勻致密、無裂紋，雙相界面均勻；與Ni-Mo鍍層相比，Ni-P/Ni-Mo雙相相鍍層的平均摩擦系數和磨損率顯著降低。層間缺陷的不匹配導致腐蝕路徑的偏差，導致從縱向針孔腐蝕轉變為延伸的橫向腐蝕，有效增強了鍍層的耐腐蝕能力，同時保持了其外層鍍層的高硬度。納米顆粒能明顯增強Ni-P/Ni-Mo雙相鍍層的硬度，腐蝕電位正移，腐蝕電流密度顯著降低。ZrO2納米顆粒可以在磨損過程中承載應力和傳遞載荷，從而改善了材料的力學性能。同時，ZrO2納米顆粒可以通過填充結合邊界這一主要腐蝕路徑來減小結核尺寸，減少針孔等表面缺陷的數量，從而降低腐蝕速率。此外，還進一步討論了雙相鍍層的緩蝕和納米顆粒共沉積機理。

研究背景

電沉積純鎳鍍層由于具有較高的硬度和耐腐蝕性，廣泛應用于各個行業，保護材料表面免受磨損和腐蝕等損害。在鎳鍍層中加入Ni-W、Ni-Co、Ni-Cu、Ni-P和Ni-Mo等二元元素，可以獲得優異的力學性能和耐腐蝕性。ZrO2是一種導熱系數低、硬度高、耐磨性和化學惰性優異的耐火材料，同時，在鎳基納米復合ZrO2鍍層中加入納米粒子將進一步提高鍍層的性能。最重要的是，鎳基涂料由于其優異的耐磨性和耐腐蝕性而廣泛應用于多種應用。雙相鍍層的整體性能通過單獨的鍍層結構得到了進一步的提高。然而，雙結構鍍層的緩蝕機理尚未完全闡明。因此，本文在Ni-Mo單層鍍層和Ni-P單層鍍層的基礎上，通過將兩種不同溶質含量的鍍層疊加，充分利用不同結構下鍍層性能的差異，制備了納米顆粒增強的Ni-P/Ni-Mo雙相結構鍍層。納米顆粒的加入進一步提高了雙相結構鍍層的力學性能。對雙相鍍層的相組織、形貌、磨損性能和耐蝕性能進行了全面研究。此外，還詳細討論了納米顆粒在雙相鍍層中的共沉積模型和雙相鍍層的緩磨緩蝕機理。

圖文解析

圖1 (a-d) Ni-Mo鍍層、Ni-P鍍層、Ni-P/Ni-Mo雙相鍍層和Ni-P/Ni-Mo-ZrO2雙相鍍層的SEM表面形貌；(a1-d1) SEM、EDS元素線掃描截面圖及成分分析；(a2-d2) WFI三維形態

圖2 Ni-Mo鍍層、Ni-P鍍層、Ni-P/Ni-Mo雙相鍍層和Ni-P/Ni-Mo-ZrO2雙相鍍層的XRD譜圖

圖3 Ni-Mo-ZrO2鍍層的TEM亮場成像和EDS元素映射及成分分析

圖4 (a) Ni-Mo鍍層、Ni-P鍍層、Ni-P/Ni-Mo雙相鍍層和Ni-P/Ni-Mo-ZrO2雙相鍍層的顯微硬度和磨損率，(b)摩擦系數

圖5 (a-d) Ni-Mo鍍層、Ni-P鍍層、Ni-P/Ni-Mo雙相鍍層和Ni-P/Ni-Mo-ZrO2雙相鍍層的SEM;(a2-d2)磨損面三維形貌

圖6 (a) Ni-Mo鍍層、Ni-P鍍層、Ni-P/Ni-Mo雙相鍍層和Ni-P/Ni-Mo-ZrO2雙相鍍層的Tafel曲線;(b)和(c) Nyquist圖

圖7 (a) Ni-Mo-ZrO2鍍層的TEM圖像和鎳基的SAED;(b) (a)中紅色網格線的SAED圖像;(c, e) (d)中的HRTEM圖像;(d) Ni-Mo-ZrO2鍍層的TEM圖像;(f) (e)中相應的放大;(g)納米顆粒與雙相結構鍍層共沉積細節示意圖。

綜上所述，利用脈沖電沉積技術分別制備單層Ni-P、Ni-Mo以及雙層Ni-P/ Ni-Mo 鍍層，其中Ni-P/ Ni-Mo-ZrO2鍍層表現出優異的耐磨及耐蝕性能，闡明了Ni-P/ Ni-Mo-ZrO2雙相鍍層雙相鍍層利用了內外鍍層之間的協同效應，以及兩層各自的結構特性來彌補兩者的不足的過程。進一步探索出鍍層的沉積、緩磨及緩蝕機理。

本研究得到了中央高校基本科研業務費專項資金、陜西省重點研發項目、陜西省重點研發項目-揭牌掛機項目、長安大學創新創業訓練計劃的資助資助，為中國-中東歐大學聯合辦學項目。

結論與展望

本文充分結合不同鍍層的結構優勢，制備了非晶/納米晶Ni-P/Ni-Mo鍍層。Ni-P/Ni-Mo雙相結構鍍層的表面微觀形貌與Ni-Mo鍍層相似，這是由于內部Ni-P鍍層形貌的一致性。鍍層總厚度約為20.26 μm，“基材/鍍層”和“鍍層/鍍層”界面結合良好。XRD結果表明，雙相鍍層的晶粒尺寸略有減小。Ni-P/Ni-Mo雙相鍍層在保持Ni-Mo外層優異的力學性能和耐磨性的同時，提高了整體的耐蝕性。表面硬度提高到730 HV。腐蝕電流密度減小到9.7498×10?7 A/cm2，極化電阻增大到308 kΩ cm2。鍍層層間缺陷的錯配使腐蝕介質到達內層的路徑發生偏離，使垂直于外表面的縱向針孔腐蝕轉變為延伸的橫向腐蝕，腐蝕電流在很大程度上分散，從而降低了腐蝕速率。此外，鍍層之間的腐蝕電位差使得外層的Ni-Mo鍍層作為犧牲陽極，有效地延緩了腐蝕過程，提高了鍍層的耐腐蝕性。在Ni-P/Ni-Mo雙相結構鍍層中加入ZrO2納米顆粒，使鍍層的磨損率降低到4.317×10?4 mm3/N?m，硬度提高到810 HV。不溶性硬顆粒抑制晶粒生長，導致晶粒細化和位錯釘住增強鍍層，填充鍍層間隙，形成對Cl-的有效屏障。鍍層的堆積生長導致了致密的晶粒結構，從而阻斷了腐蝕路徑，表現出更好的耐腐蝕性。

課題組簡介

徐義庫，男，博士、教授，現任長安大學材料科學與工程學院副院長。德國德累斯頓工業大學聯合培養博士，英國諾丁漢大學訪問學者，國家級課程思政名師，國際博士生導師，中國工程教育專業認證專家。

長期從事合金定向凝固制備及單晶生長、交通輕量化金屬零部件表面處理技術及成果轉化等相關研究，先后承擔國家自然科學基金、中國博士后基金、陜西省自然科學基金等課題10余項。近5年來國內外影響力的期刊第一作者發表SCI論文20余篇，授權國家發明專利4項（轉化一項），2019年獲陜西省高等學校科學技術獎一等獎。積極參加行業交流，現任國家自然科學基金項目評審專家、陜西省科技項目評審專家，以及《Materials Science and Engineering: A》、《Journal of Alloys and Compounds》等國際知名期刊審稿人。