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《中南大学》 2012年
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镍铁尖晶石复合涂层的制备、微结构和耐高温腐蚀性能的研究

马莉  
【摘要】:在金属或合金表面制备某些陶瓷涂层可获得兼具金属和陶瓷特性的复合材料,可有效提高材料的耐热性、耐磨性、耐蚀性、电磁性和生物活性等。NiFe2O4尖晶石材料不仅具有良好的电、磁特性,而且还具有良好的热稳定性、化学稳定性以及对各种熔体的较强耐腐蚀能力,被认为是一类极具潜力的铝电解惰性阳极材料。论文在国家"863”、“973"等项目的资助下,针对铝电解惰性阳极的金属导杆目前存在的抗高温氧化性能差,熔盐腐蚀气氛中表面的氧化膜易剥落等问题,以在金属基体上制备一层致密的、粘附性较好的防护涂层为研究目标。实验采用电泳-氧化法、复合共沉积-氧化法和合金电沉积-氧化法等三种方法制备NiO-NiFe2O4复合涂层,重点研究了沉积工艺对沉积涂层的组成和形貌的影响,氧化工艺对沉积涂层的转变过程、物相组成和显微形貌的影响,评价了涂层在冰晶石熔盐气氛中的热腐蚀性能,获得了几种可有效防护冰晶石熔盐气氛腐蚀的涂层组成和制备工艺。主要研究成果如下: 1、电沉积Ni/电泳沉积Fe203的叠层结构的复合涂层氧化扩散处理可获得NiO/NiFe2O4涂层。采用pH值3、zeta电位67mV的稳定Fe203悬浮浆料,可在Ni电沉积层表面电泳沉积出较均匀、致密的Fe203膜。Fe203沉积速率随沉积电压的提高而提高,随沉积时间的延长而逐渐衰减。NiO/NiFe2O4复合涂层组成和形貌的主要受氧化温度和氧化时间的影响。在氧化温度较低或氧化时间较短时,NiO/NiFe2O4复合涂层呈叠层结构,表面为NiFe2O4尖晶石层,厚度为10-15μgm;随着氧化温度提高、氧化时间延长,涂层转变为以NiO为基体的单层结构,NiFe2O4(?)目以细小弥散析出相的形式分布于NiO晶粒内。 2、氧化扩散处理可将复合电沉积的(Ni,Co)-Fe2O3镀层转变为附着性较好(Ni,Co)O/(Ni,Co)Fe2O4复合涂层。在复合共沉积制备(Ni,Co)-Fe2O3复合镀层的过程中,添加一定量的Co2+、提高镀液中Fe203颗粒浓度和选择合适的搅拌速率均可以在一定程度上提高复合镀层中Fe203颗粒的复合量。(Ni,Co)O/(Ni,Co)Fe2O4复合氧化物涂层具有两层叠加结构,最外层为富(Ni,Co)O层,次外层为富(Ni,Co)Fe2O4尖晶石层。 3、电沉积Ni-Fe合金也可通过氧化转变为致密、平整、附着性良好、具有(100)择优取向的NiO/NiFe2O4复合涂层。NiO/NiFe2O4涂层组成、结构和形貌受Ni-Fe合金的组成和氧化制度的控制,较低温度(900℃)氧化时,低Fe含量试样的NiFe2O4相多生成于表层NiO晶界处,而高Fe含量的试样的最表层可形成连续致密的NiFe2O4尖晶石层,其厚度随Fe含量增加而增加;较高温度(1000-1200℃)氧化时,NiFe2O4尖晶石相易呈现“非连续”层状结构,内部夹杂有细小的NiO相,表层NiO晶粒内有大量“点状”或“十字状”NiFe2O4尖晶石沉淀相析出。 4、在960℃下冰晶石熔盐气氛和大气的混合气氛中的腐蚀试验表明,上述三种方法制备的复合氧化物涂层均能对金属基体Ni起到一定程度的保护作用,相比较而言,合金电沉积-氧化法制备的NiO/NiFe2O4复合涂层(1200℃-6h, Ni-7Fe)最佳。复合涂层的防护功效在于,一方面,耐蚀、致密、附着性好NiO/NiFe2O4阻隔了氧化腐蚀气氛与金属基体直接接触,另一方面,腐蚀过程中表面新生成的NiAl2O4尖晶石层也能够作为扩散障抑制腐蚀气氛的渗入。此外,柱状NiO晶界处富集的NiFe2O4沉淀相对腐蚀气氛的晶间渗透也起到一定的抑制作用。 本文尝试的电泳-氧化法、复合电沉积-氧化法和合金电沉积-氧化法等制备复合氧化物涂层的工艺,均为当前比较新颖的表面防护方法,研究证实了这些方法在金属表面制备诸如NiO/NiFe2O4复合涂层的可行性。另外,本文重点考察了这三种方法制备的涂层材料在一种特殊熔盐气氛中(78.07%Na3AlF6-9.5%AlF3-5%CaF2)的高温腐蚀性能,而有关涂层材料在这种熔盐气氛中的性能测试目前还鲜有报道。因此,本文所作的研究为镍铁尖晶石复合涂层的制备和应用作出了有益的尝试和探索,并为进一步的研究提供了类比和参考。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG174.45

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