【正文】 5 mm～ 2. 0 mm。通過采用SEM , EDS,A FM 和XRD 等分析測試方法, 研究了CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層的表面微觀形貌、相組成和晶體結(jié)構(gòu)。維氏硬度測試采用A KA SH I 型硬度測試儀在100 g 載荷下測量。高溫耐磨性測試?yán)枚嗣婺p機在300℃, 載荷為20 kg 下, 采用GCr15 為摩擦副的條件下進行30 m in 的磨損測試, 用單位面積上的磨損量來表征復(fù)合鍍層的耐磨性。在700℃的空氣爐中進行高溫氧化實驗(周期性加熱) , 利用增重法測定隨時間的延長, 樣品單位面積上的增重。熱膨脹系數(shù)采用N ZSCH402C 熱膨脹儀在50℃～ 400℃的溫度范圍內(nèi)測試。熱導(dǎo)率采用激光熱導(dǎo)儀進行測試, 測試溫度范圍為150℃～ 400℃。2　結(jié)果與討論2. 1　材料表面微觀形貌和結(jié)構(gòu)(a) Ni16Co。 (b) Ni40Co。 (c) Ni78Co。 (d) vol.% Al2O3 。 (e) vol.% Al O 。 (f) vol.% Al2O3 .圖1　CoNi 和CoNiAl2O3 鍍層的SEM 照片圖1 為CoNi 鍍層和CoNiAl2O3 鍍層的SEM 形貌照片。通過對比, 從圖中發(fā)現(xiàn): CoNi 鍍層的表面形貌比較規(guī)則, 而CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層的表面則呈現(xiàn)出微小結(jié)瘤狀的形貌 , 同時Al2O3 顆粒均勻地分散在復(fù)合鍍層中。和純CoNi 合金的晶粒尺寸相比, 復(fù)合鍍層中CoNi 的晶粒尺寸較小可能是加入的Al2O3 粒子在陰極表面的吸附, 增大了陰極極化, 促進了細晶的生成。當(dāng)CoNi 鍍層和CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層中隨著Co 含量的增加, 鍍層的晶粒變得細致, 結(jié)構(gòu)變得更加均勻。當(dāng)Co 含量從16 %增加到42 %左右時, 鈷鎳合金的晶粒尺寸逐漸減小, 從顆粒狀結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀結(jié)晶, 結(jié)構(gòu)的致密程度下降。 當(dāng)鈷含量高于78 %時, 鍍層的結(jié)構(gòu)變?yōu)楦泳o密、細致的顆粒狀結(jié)晶形貌。為了進一步研究CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層的表面微觀結(jié)構(gòu), 利用原子力顯微鏡對復(fù)合鍍層表面進行了分析和測量, 結(jié)果如圖2 所示。(a) N i220Co28. 5 vo l%A l2O 3 coating。(b) N i280Co28. 7 vo l%A l2O 3 coating.圖2　CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層的A FM 分析從圖中看出復(fù)合鍍層表面為清晰可見的球狀生長形狀。同時鍍層中的鈷含量明顯地影響了復(fù)合鍍層的表面結(jié)構(gòu)。具有高鈷含量的 Ni80Co8. 7 vo l%Al2O3 鍍層的表面較低鈷含量的Ni20Co8. 5 vo l%Al2O3 鍍層具有更加均勻、細致的表面微觀結(jié)構(gòu)。(a) N i16Co。 (b) N i40Co。 (c) N i78Co。 (d) N i20Co8. 5vo l% A l2O 3。(e) N % A l2O 3。 (f) N i80Co8. 7vo l% A l2O 3.圖3　CoNiAl2O 3 復(fù)合鍍層的衍射圖譜圖3 為不同鈷含量時CoNi 鍍層和CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層的XRD 圖譜。分析結(jié)果表明: 無論CoNi 鍍層和CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層, 鈷鎳合金均形成固溶體, 并且衍射峰呈現(xiàn)出明顯的遞變規(guī)律: 在低鈷含量區(qū), 合金層的結(jié)構(gòu)是以鎳的面心立方(Fcc)結(jié)構(gòu)為主, 說明形成的是鈷溶解在鎳中的單相固溶體。在中鈷含量區(qū)合金層形成的是鈷的Fcc 為主和Hcp 共存的結(jié)構(gòu)。而在高鈷含量區(qū), 合金層形成的是鈷的六方密堆積(Hcp ) 結(jié)構(gòu), 說明此時是鎳溶解在鈷中形成單相固溶體。在CoNi 鍍層和CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層中, 低鈷含量區(qū)均呈現(xiàn)出Fcc鎳的( 111) 晶面的優(yōu)勢生長, 同時具有( 200)、( 220)、 (311) 晶面的取向。但在高鈷含量區(qū), CoNi 合金鍍層呈現(xiàn)出(200) 晶面的優(yōu)勢生長, 而CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層中卻呈現(xiàn)出(100) 晶面的優(yōu)勢生長。這說明雖然Al2O3 在合金層中的彌散分布沒有改變鈷鎳合金的固溶體相結(jié)構(gòu), 但在高鈷含量的復(fù)合鍍層中卻明顯地改變了晶體的各晶面生長和取向。2. 2　復(fù)合鍍層的硬度和高溫耐磨性復(fù)合鍍層的微觀硬度和鍍層中粒子體積含量V P 的關(guān)系及600℃的熱處理后的硬度變化如圖4 所示。圖4　CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層的硬度與粒子含量及熱處理的關(guān)系從圖中看出: 隨著V P 的增加, 復(fù)合鍍層的硬度逐漸增加, 但當(dāng)粒子含量V P 大于5. 2 % 時, 硬度就基本保持不變。鍍層硬度的增加主要是由于Al2O3粒子在鈷鎳合金中的彌散強化作用, 抑制了鈷鎳合金中位錯的滑移。同時CoNiAl2O3 在600℃的環(huán)境中熱處理1 h 后, 微觀硬度均有不同程度的下降,但當(dāng)復(fù)合鍍層中的粒子含量V P 大于5. 2 % 時, 退火對硬度的影響相對較小, 仍然能保持520 Hv 以上的硬度。以上現(xiàn)象合理的解釋是由于在600℃的環(huán)境下, 鈷鎳合金發(fā)生了再結(jié)晶, 同時電沉積過程中所形成的金屬氫化物產(chǎn)生了分解。圖5 是不同鍍層在300℃, 20 kg 載荷, 30 m in的磨損測試條件下, 單位面積的磨損量。其中Ni80Co8. 7 vo l% Al2O3 復(fù)合鍍層具有最小高溫磨損量和最大的硬度。實驗結(jié)果說明: 鍍層的硬度越大,高溫耐磨性也越好。但由于鈷在高溫下生成Co3O 4釉狀的氧化膜[ 11 ] , 具有自潤滑的作用, 因此復(fù)合鍍層中鈷的含量越高, 高溫耐磨性也越好。A l2O3 1——Pure nickel。 2——Pure cobalt。 3——N i16Co alloy。4——N i78Co alloy。 5——N i20Co28. 5vo l% A l2O3。6——N i80Co8. 7vo l% A l2O 3圖5　不同鍍層的高溫耐磨性和硬度的關(guān)系圖6 為不同A l2O 3 含量的復(fù)合鍍層的高溫磨損曲線。結(jié)果表明: 在磨損初期, 磨損量隨時間的增加而急劇增加, 但當(dāng)磨損面積逐漸增大時, 由于復(fù)合鍍層單位面積上的載荷降低, 而使磨損量逐漸趨于穩(wěn)定。在鈷含量基本相同的情況下, 復(fù)合鍍層達到穩(wěn)態(tài)磨損的時間和鍍層中的粒子含量具有明顯的關(guān)系。隨著A l2O 3 粒子含量的增多, 復(fù)合鍍層到達穩(wěn)態(tài)磨損的時間越短, 同時耐磨性也越好。2. 3　復(fù)合鍍層的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率當(dāng)鍍層用于高溫環(huán)境時, 它的熱物理特性是非常重要的。而材料的熱膨脹系數(shù)(CTE) 和熱導(dǎo)率是兩個重要的熱物理特性。如果鍍層和基體的熱膨脹系數(shù)不匹配, 將會導(dǎo)致殘余應(yīng)力、結(jié)合力不良等許多問題。同時, 鍍層的熱導(dǎo)率越高, 冷卻效果也越好, 溫度在鍍層上的分布也越均勻, 這樣能夠降低熱應(yīng)力, 提高疲勞特性。 圖6　CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層的熱膨脹系數(shù)復(fù)合鍍層Ni20Co8. 5vo l% Al2O3 和Ni80Co8. 7vo l% Al2O3 的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律如圖圖7 所示。隨著溫度的增加,兩種復(fù)合鍍層的熱膨脹系數(shù)均增加, 而熱導(dǎo)率卻逐漸減小。并且當(dāng)溫度大于250℃時, N i80Co8. 7vo l% A l2O3 的膨脹系數(shù)小于N i20Co8. 5vo l%Al2O3 鍍層的膨脹系數(shù)。而在整個溫度范圍內(nèi),Ni80Co8. 7vo l% Al2O3 的熱導(dǎo)率均遠大于N i20Co8. 5vo l% Al2O3 鍍層的熱導(dǎo)率。鈷含量增加所導(dǎo)致的復(fù)合鍍層熱導(dǎo)率增加的原因, 一方面可能是由于鈷含量的增加使得復(fù)合鍍層的晶粒細化, 孔隙率降低。 另一方面可能是鈷含量的增加, 增加了傳導(dǎo)電子的擴散點。圖7　CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層的熱導(dǎo)率3　結(jié)　論　 (1) CoNiAl2O 3 復(fù)合鍍層的表面形貌和微觀晶體結(jié)構(gòu)主要受鍍層中鈷含量的影響。當(dāng)鍍層中的Co 含量逐漸增加時, 鈷鎳合金的晶粒尺寸逐漸減小, 開始從顆粒狀結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀結(jié)晶, 結(jié)構(gòu)的致密程度下降。 當(dāng)鈷含量進一步增加時, 鍍層的結(jié)構(gòu)卻變?yōu)楦蛹氈碌念w粒狀結(jié)晶形貌。通過A FM 分析發(fā)現(xiàn): 具有Hcp 結(jié)構(gòu)的高鈷含量復(fù)合鍍層的表面比具有Fcc 結(jié)構(gòu)的低鈷含量鍍層的表面, 更加均勻、細致。Al2O3 顆粒在CoNi 合金中的共沉積, 不能夠改變合金固溶體的相組成, 但卻改變了各晶面的優(yōu)勢生長?！　?2) CoNiAl2O3 復(fù)合鍍層中由于Al2O3 粒子在鈷鎳合金中的摻雜, 使鍍層具有較高的硬度、優(yōu)越的高溫耐磨性和抗高溫氧化性能, 且具有低熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率等優(yōu)點, 適合應(yīng)用在要求具有良好抗熱疲勞性能和高溫性能的環(huán)境中。