氧化石墨烯對納米金屬陶瓷復(fù)合鍍層組織性能影響

李智，劉崇宇，葛毓立，宋萬彤，胡德楓

氧化石墨烯對納米金屬陶瓷復(fù)合鍍層組織性能影響

李智a，劉崇宇b，葛毓立a，宋萬彤b，胡德楓b

（大連大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院 b.物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116622）

提高納米金屬陶瓷復(fù)合鍍層硬度、耐磨性，以及耐蝕性。在鍍液中添加了氧化石墨烯（GO)，在合金的基體上制備了Ni-TiN-GO的復(fù)合鍍層，并對鍍層組織結(jié)構(gòu)、成分、顯微硬度、耐磨性和耐蝕性進(jìn)行表征及分析，探究GO的添加量對其組織性能的影響，確定最適宜的GO添加量。最適宜GO含量為0.3 g/L，所得鍍層表面平整致密，與基體結(jié)合良好，厚度為8.64 μm。晶面表現(xiàn)為雙擇優(yōu)取向，晶粒尺寸最小，顯微硬度最大，分別為22.8 nm和1 529.1HV。摩擦磨損測試表明摩擦因數(shù)為0.8，主要以磨粒磨損為主，具有良好耐磨性能。Ni-TiN-0.3g/LGO復(fù)合鍍層自腐蝕電流密度較基體和Ni-TiN鍍層下降1個(gè)數(shù)量級，在經(jīng)過96 h的鹽霧試驗(yàn)后，鍍層未見開裂，只附著少量腐蝕產(chǎn)物，表現(xiàn)出良好的耐蝕性。當(dāng)GO的添加量為0.3 g/L時(shí)鍍層表面最為致密，缺陷減少，并且通過其較大的比表面積可阻礙腐蝕離子通過，進(jìn)而提高鍍層耐蝕性。GO通過在鍍液中與Ni2+結(jié)合形成復(fù)合物共沉積到孔隙缺陷處，同時(shí)GO彌散分布于鍍層，提供了大量的形核位點(diǎn)，鍍層晶粒尺寸下降，因此鍍層硬度提高，并且由于GO具有一定自潤滑能力，鍍層的耐磨性提高。

氧化石墨烯；納米電沉積；金屬陶瓷復(fù)合層；組織性能

納米復(fù)合電沉積是指在沉積液中加入難溶性的納米固體顆粒（金屬氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、金屬粉末等）[1-2]，通過外加機(jī)械攪拌、磁力攪拌、超聲攪拌等措施,使納米粒子在鍍液中充分懸浮分散，并與金屬基體共沉積從而得到具有不同性能的納米復(fù)合鍍層的1種電沉積技術(shù)[3-6]。

GO是石墨烯的1種衍生物，其超薄、二維蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)使其具有極大的比表面積、高的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的潤滑性[7]，而且含有豐富的官能團(tuán)，在鍍液中具有良好的親水性，是理想的第二相添加物[8-9]。相關(guān)研究表明[10-11]，GO作為第二相粒子彌散分布在材料表面可以有效細(xì)化晶粒，提高鍍層的硬度和耐磨性。由于呈電負(fù)性，它可以吸附帶正電的金屬離子，提高沉積效率，減少缺陷。此外，GO呈片層狀分布于鍍層可以延長腐蝕路徑，提高鍍層的耐蝕性[12-13]。國外研究人員采用超聲輔助電沉積法制備Ni/GO復(fù)合鍍層，發(fā)現(xiàn)在制備的Ni/GO鍍層中，沉積的Ni原子呈較粗的球狀結(jié)構(gòu)，均勻分布在GO納米片上[14]。電化學(xué)腐蝕測試結(jié)果表明，Ni/GO復(fù)合鍍層腐蝕電流為1.992 μA/cm2，比純Ni鍍層（10.92 μA/cm2）具有更高的耐腐蝕性能，表明氧化石墨烯納米片起到了緩蝕劑的作用，對鍍層表面起到了保護(hù)作用。山東科技大學(xué)研究人員采用改性的氧化石墨烯（GO）納米片制備了Ni-W-GO-Al2O3復(fù)合鍍層，與未經(jīng)改性的氧化石墨烯復(fù)合鍍層相比，Ni-W-GO-Al2O3鍍層表面粗糙度下降、內(nèi)部致密沒有出現(xiàn)裂紋，復(fù)合鍍層耐磨性和耐蝕性提高[15]。

為了進(jìn)一步提高納米金屬陶瓷復(fù)合層性能，本文采用納米電沉積在合金鋼表面制備Ni-TiN-GO復(fù)合層，通過改變GO含量，探究對鍍層組織性能的影響規(guī)律，并確定最適宜的GO含量。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及制備方法

本試驗(yàn)陰極采用合金鋼，主要合金元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：C（0.35%），Ni（3%），Cr（0.89%），試樣尺寸20 mm′20 mm′2 mm，陽極采用尺寸50 mm′40 mm′3 mm且純度>99%的電解鎳板，極間距25 mm。試驗(yàn)前需要對試樣進(jìn)行磨平拋光、除油除銹、活化（各步驟間用去離子水沖洗1 min），具體工藝如下。

1）磨平拋光：分別采用360目、600目、800目、1 000目、1 200目、1 500目，以及2 000目水磨砂紙對試樣表面進(jìn)行打磨并拋光，采用乙醇超聲清洗10 min。

2）除油除銹：試樣在65 ℃含80～100 g/L的NaOH和50～60 g/L的Na3PO4混合溶液中浸泡15～20 min，利用堿性溶液的皂化作用對試樣進(jìn)行除油除銹處理。

3）活化：在專用活化液中活化30～60 s，清洗后烘干備用。

電沉積鍍液pH為3.8～4.5，組分見表1?；瘜W(xué)試劑均為分析純試劑。氧化石墨烯分散液：200 mL，濃度：2 mg/mL，厚度：1～5層，溶劑：水，由南京先豐納米材料科技有限公司生產(chǎn)。

表1 電沉積鍍液組分

Tab.1 Components of electrodeposition bath

其中，本試驗(yàn)使用的設(shè)備為KDY-III型脈沖電鍍電源、KQ-300VDE超聲波發(fā)生器、JJ-1（A）型精密電子攪拌裝置等。根據(jù)本研究小組前期工作結(jié)果，選擇以下工作條件[16]：電壓為12 V，陰極電流密度為4 A/dm2，脈沖占空比為40%，超聲波頻率為45 kHz+ 80 kHz，其作用方式為20 s:10 s，超聲波功率為150 W～300 W，機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min，沉積溫度為（50±2）℃，沉積時(shí)間60 min。

1.2 復(fù)合鍍層的表征及性能測試

利用4XC雙目倒置金相顯微鏡對鍍層形貌進(jìn)行了研究；利用S-4800超高分辨場發(fā)射SEM對鍍層形貌及鍍層厚度進(jìn)行了研究；采用捷克TESCAN MIRA LMS型掃描電子顯微鏡附帶的能譜儀（EDS）進(jìn)行元素半定量分析；利用Smart實(shí)驗(yàn)室9KW X光衍射儀器特征的淀積物和粒子的定向，管壓20 KV，電流30 mA，掃描步長和掃描速度分別為0.01°和5°/min；采用LabRAM HR型拉曼光譜儀進(jìn)行GO分散液和復(fù)合鍍層分子結(jié)構(gòu)檢測分析；采用HVS-1 000B數(shù)顯顯微硬度計(jì)對不同的鍍膜進(jìn)行了不同的鍍層金相組織的微觀硬度測定，用0.49 N的負(fù)載和10 s的加載，選擇5個(gè)均勻的點(diǎn)在鍍膜的表層上，用平均值來表示其硬度；并用CFT-I型鋼的表面特性測試機(jī)對復(fù)合鍍層進(jìn)行了測試，加載載荷為20 N，試驗(yàn)時(shí)間30 min，運(yùn)行速度400 r/min，往復(fù)長度5 mm，采樣頻率10 Hz，并結(jié)合3D測量激光共聚焦顯微鏡（LEXT）對磨痕表面形貌進(jìn)行觀察；采用CHI-660E電化學(xué)工作站對鍍膜進(jìn)行了Tafel的測量。工作用的是被測量的試件（1 cm2的曝光區(qū)域），用鉑板作為副電極，參考電流非常飽和的甘汞點(diǎn)焊條，將3個(gè)電極浸入3.5%氯化鈉的水溶液15 min，在25 ℃的環(huán)境下，在0.5～1 V的電化學(xué)掃描下，在1 mV/s的掃描速度下進(jìn)行。試驗(yàn)根據(jù)GB/T10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》[17]，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用中性鹽霧法測定了納米金屬陶瓷復(fù)合材料的鹽霧侵蝕情況，該鹽的濃度是5%的NaCl溶液，沉積物18 ml/(80 cm2)，在35 ℃下，將試樣放置在鹽霧容器中，在持續(xù)噴射96 h之后，并觀察基體與添加GO前后鍍層表面的形貌變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合鍍層組織形貌分析

不同GO含量復(fù)合鍍層金相組織形貌如圖1所示。與基體相比，Ni-TiN鍍層使基體表面缺陷顯著減少，當(dāng)添加的GO濃度（0.1 g/L、0.2 g/L）較低時(shí)，在電解沉積時(shí)，GO粒子和陰電極的范德華作用力很弱，所以GO很少被成功地吸收到陰極上，因此所獲鍍層與Ni-TiN鍍層相比形貌相差不大[18]，依然可見孔隙缺陷。當(dāng)GO含量為0.3 g/L時(shí)，吸附在陰極表面的GO含量增多，增加了形核位點(diǎn)，鍍層由大量細(xì)小均勻的凸起顆粒堆積而成，表面致密光滑。隨著GO含量進(jìn)一步增加達(dá)到0.4 g/L，重新出現(xiàn)大量缺陷，鍍層表面粗化，這可能是由于GO濃度較大時(shí)，GO在鍍液中團(tuán)聚嚴(yán)重，導(dǎo)致陰極極化減弱，導(dǎo)電性降低，同時(shí)，也會影響到鍍層的表面沉淀和粒子的移動，從而造成鍍層內(nèi)部的空洞等問題[19]。

圖1 不同GO含量復(fù)合鍍層金相組織形貌

圖2是不同GO含量復(fù)合鍍層的SEM表面形貌。從圖2中可以看出，Ni-TiN鍍層組織無規(guī)則且致密度較差。當(dāng)GO含量為0.1 g/L時(shí)，鍍層表面粗糙，但未見明顯孔隙存在。當(dāng)GO含量為0.2 g/L時(shí)，鍍層出現(xiàn)典型的凸起形貌，GO和金屬Ni不斷地填充到針孔類的缺陷中，使鍍層組織致密，凸起在鍍層中均勻分布但尺寸較大。隨著GO含量增加至0.3 g/L，凸起更加細(xì)小致密，說明GO對晶粒細(xì)化有明顯影響。相關(guān)研究表明[20]：電鍍?nèi)芤褐械恼奛i2+和負(fù)電GO因正電荷和負(fù)電荷互相吸引而被吸附連接，使GO以此形態(tài)出現(xiàn)，GO導(dǎo)電性能較好，因此在淀積時(shí)，GO的淀積部位會受到頂端的放電刺激，而且在沉積時(shí)，GO的淀積比其它部位的沉積要更迅速，使金屬層的粗糙程度發(fā)生變化，會產(chǎn)生凸起，GO較大的比表面積增加了Ni2+形核位點(diǎn)，提高了沉積速率，另外GO彌散分布于鍍層中，阻礙了晶界的生長，降低了晶粒的生長速率，達(dá)到了細(xì)化晶粒的目的。隨著GO的濃度繼續(xù)增加至0.4 g/L，鍍液中GO的含量過大，碰撞加劇，會發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，不再出現(xiàn)晶粒細(xì)化反而會引入新的缺陷，引起鍍層質(zhì)量下降。圖3為Ni-TiN- 0.3g/LGO鍍層SEM截面形貌，鍍層厚度為8.64 μm，鍍層與基體界面清晰可見，無明顯裂紋和孔隙，說明鍍層附著良好。

圖2 不同GO含量復(fù)合鍍層的SEM表面形貌

圖3 Ni-TiN-0.3g/LGO復(fù)合鍍層截面SEM形貌

對GO和Ni-TiN-0.3g/LGO復(fù)合鍍層進(jìn)行拉曼光譜測試，結(jié)果如圖4所示。在1 340 cm–1和1 580 cm–1附近處顯示出明顯的強(qiáng)衍射峰，分別對應(yīng)GO的D峰和G峰，G峰是GO的主要特征峰，D峰與結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)，表示含碳材料中碳晶格的不完整度、無序性[21-22]。通常用ID/IG強(qiáng)度比評價(jià)復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，圖4可見復(fù)合鍍層ID/IG的比值較GO小，表明GO在鍍液中被還原，GO在沉積過程中被還原[23]。圖5為GO添加前后復(fù)合鍍層的EDS面掃能譜分析。從圖5中可見，GO添加后C含量增加，2者證明GO成功添加。

圖4 GO和Ni-TiN-0.3g/LGO復(fù)合鍍層表面拉曼光譜

圖5 GO添加前后鍍層表面EDS能譜分析

圖6為不同GO含量復(fù)合鍍層的XRD衍射圖譜。從圖6可以看出，在2為44.48°、51.83°和76.58°處為面心立方構(gòu)造Ni晶粒的（111）、（200）、（220）晶面衍射峰，GO由于本身為納米尺寸且添加量較少，沒有明顯的對應(yīng)衍射峰出現(xiàn)。隨著GO含量增加衍射峰半高寬并無較大變化，說明含量的改變對晶粒尺寸大小無明顯影響。對復(fù)合鍍層的織構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)GO含量對擇優(yōu)取向有較大影響，復(fù)合鍍層主要以（111）晶面為擇優(yōu)取向，隨著GO含量的增加，（200）晶面出現(xiàn)明顯變化，當(dāng)GO含量為0.1 g/L時(shí)，由于添加量較少，（200）衍射峰強(qiáng)度較未添加無明顯變化，當(dāng)GO含量添加至0.2 g/L時(shí)，（200）衍射峰強(qiáng)度增加，繼續(xù)增加GO含量時(shí)，（200）衍射峰又開始減弱，當(dāng)GO沉積到陰極表面，成核后晶面取向與面心立方Ni的（111）晶面是相匹配的，隨著含量的增加，GO會不斷吸附Ni2+，由于GO良好的導(dǎo)電能力，產(chǎn)生間斷放電效應(yīng)改變了Ni2+原來的生長方向，向著（200）方向生長。相關(guān)研究表明[24]，（111）晶面寬度代表鍍層強(qiáng)度和硬度，而（200）面寬度代表鍍層塑性和韌性，隨著GO含量增加，對（111）晶面衍射峰強(qiáng)度無明顯影響，當(dāng)GO添加量為0.3 g/L時(shí)，（111）晶面和（200）晶面衍射強(qiáng)度相當(dāng)，出現(xiàn)“雙擇優(yōu)取向”現(xiàn)象，說明晶粒細(xì)化使鍍層在保持高強(qiáng)度、硬度的同時(shí)具有優(yōu)異的塑性和韌性，結(jié)合復(fù)合鍍層均勻平整的表面形貌，可以推斷，添加GO含量為0.3 g/L時(shí)復(fù)合鍍層性能最佳。在未添加氧化石墨烯時(shí)，陰極極化較弱且沉積過電位低，使得晶粒有足夠的時(shí)間長大，因此制備的材料晶粒較粗大。當(dāng)鍍液中加入適量的氧化石墨烯時(shí)，鍍液中的導(dǎo)電性得到提高，過電位降低，陰極極化增強(qiáng)，同時(shí)氧化石墨烯還能為鎳原子的形核提供活性位點(diǎn)，因此在有氧化石墨烯吸附的周圍區(qū)域形成了細(xì)晶，最終生長出了晶粒尺寸呈雙峰分布的顯微組織。在加入氧化石墨烯石墨烯含量過高時(shí)，鍍液中的氧化石墨烯發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致陰極極化減弱，導(dǎo)電性降低；鍍層的晶粒尺寸呈現(xiàn)增大的變化趨勢，最終形成了晶粒尺寸較為均勻的氧化石墨烯增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料[25]。

圖6 不同GO含量復(fù)合鍍層的XRD衍射圖譜

2.2 鍍層的顯微硬度分析

圖7為復(fù)合鍍層的顯微硬度及晶粒尺寸，具體數(shù)據(jù)見表2。從圖表中可以看出，隨著GO含量的增加，鍍層顯微硬度出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)GO含量為0.3 g/L時(shí)，根據(jù)Scherrer公式[26]計(jì)算可知復(fù)合鍍層晶粒尺寸最小為22.8 nm，此時(shí)鍍層硬度最大為1 529.1HV，一方面GO表面有豐富的官能團(tuán)，GO和Ni2+可以結(jié)合形成復(fù)合物共沉積到孔隙缺陷處，使鍍層表面致密顯微硬度增加；另一方面，GO彌散分布于鍍層，提供了大量的形核位點(diǎn)，鍍層晶粒尺寸變小。因?yàn)樗哂休^小的尺寸和較低的內(nèi)位錯(cuò)數(shù)，從而降低了受外力作用而產(chǎn)生裂紋的幾率。晶粒直徑越小，晶粒的數(shù)量就越多，通過增加晶粒數(shù)量，使材料的塑性分布平均，從而增大了應(yīng)力的產(chǎn)生。同時(shí)，顆粒越細(xì)，膜中的界面越多，界面上的雜質(zhì)越多，缺陷越多，界面上的原子分布不均勻，越容易出現(xiàn)位錯(cuò)和裂縫，并在一定程度上抑制了界面上的裂縫擴(kuò)散和位錯(cuò)滑移，從而使鍍層的強(qiáng)度和硬度得到了改善。隨著GO含量增加至0.4 g/L，GO在鍍液中出現(xiàn)團(tuán)聚，陰極極化減弱，鍍層晶粒增大，且鍍層表面質(zhì)量下降，硬度降低。

圖7 GO添加量對復(fù)合鍍層顯微硬度和晶粒尺寸的影響

表2 復(fù)合鍍層顯微硬度和粒徑

Tab.2 Microhardness and particle size of composite coatings

2.3 鍍層摩擦磨損分析

由于Ni-TiN-0.3g/LGO復(fù)合鍍層硬度最大、晶粒尺寸最小，另外還進(jìn)行了磨耗試驗(yàn)，如圖8所示，在加入襯底和GO之后，其摩擦系數(shù)減小。在摩擦測試初期，摩擦力曲線快速增長，隨后又變得平穩(wěn)，摩擦表面發(fā)生塑性變形，位錯(cuò)阻礙增加，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。對比可知，Ni-TiN-0.3g/LGO鍍層的摩擦因數(shù)（0.7）較Ni-TiN（1.0）和基體（1.4）顯著下降，一方面，添加GO使晶粒細(xì)小，細(xì)晶強(qiáng)化作用使得鍍層硬度顯著上升進(jìn)而提高了耐磨性，另一方面復(fù)合鍍層中的GO是目前所知硬度最大的納米碳材料之一的石墨烯的衍生物，GO較大的縱橫比使其具有自潤滑作用，摩擦?xí)r可以減少鍍層和摩擦副的接觸面積，另外，GO具有自潤滑的作用，可以脫離鍍層進(jìn)入磨痕，摩擦?xí)r更趨向于滑移，削弱了對鍍層的剪切力，抑制了裂紋的產(chǎn)生與生長，從而降低摩擦因數(shù)[27-28]。

圖8 基體和GO添加前后復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)

圖9為基體和GO添加前后復(fù)合鍍層摩擦磨損SEM形貌。從圖9可知，基體表面磨損變形嚴(yán)重，表面出現(xiàn)大面積撕裂脫落現(xiàn)象，且磨痕較深，主要以黏著磨損為主；相比添加GO的鍍層，未添加GO的鍍層在干摩擦學(xué)中承載力很低，在特定的荷載作用下，摩擦片產(chǎn)生了塑性或剪應(yīng)力，并產(chǎn)生了較大的黏性。結(jié)果表明，鍍層表面磨損深度明顯減小，并從黏附磨損向磨粒磨損轉(zhuǎn)變。這是由于鍍層所含有的GO具有高強(qiáng)度，因此可以改善所述底板的承載量。此外，隨著塑性流變性和表面硬化程度的增大，其耐磨性能也得到了改善[29-30]。GO還可以用作固態(tài)潤滑液，用于避免與鍍層的直接接觸。明顯地減弱了摩擦對基體的磨損。

圖9 基體和GO添加前后復(fù)合鍍層摩擦磨損SEM形貌

2.4 鍍層耐蝕性分析

圖10為GO添加量對復(fù)合鍍層的極化曲線。其中，腐蝕電位為熱力學(xué)參數(shù)，腐蝕電位的正負(fù)代表了鍍層發(fā)生腐蝕的傾向，腐蝕電位越正，鍍層腐蝕的傾向性越小，自腐蝕電流密度為動力學(xué)參數(shù)，代表了鍍層在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生腐蝕反應(yīng)速度的快慢，自腐蝕電流密度越小，鍍層腐蝕速率越慢[31]。結(jié)果表明：鍍層的電勢愈高，其自身的腐蝕電流愈低，其抗侵蝕能力愈強(qiáng)。從圖10可以看到，復(fù)合鍍層腐蝕電位較基體和未添加GO相差不大，表3為極化曲線擬合結(jié)果，由表3可知，當(dāng)GO含量從0.1 g/L增加至0.3 g/L時(shí)，自腐蝕電流密度較基體和未添加GO的復(fù)合鍍層下降1個(gè)數(shù)量級，結(jié)合SEM表面形貌，GO的加入使得鍍層表面致密，腐蝕介質(zhì)在流動到基體過程中遇到阻礙變大，到達(dá)基體時(shí)間變慢，復(fù)合鍍層不容易發(fā)生腐蝕，沉積層的耐腐蝕性能增加[32]。不添加GO制備的復(fù)合鍍層表面缺陷較多，并且大量粒子堆積形成粗糙表面，為腐蝕性離子在復(fù)合鍍層表面聚集創(chuàng)造了良好的條件。腐蝕性離子通過表面缺陷快速滲入膜層內(nèi)部，導(dǎo)致復(fù)合鍍層自腐蝕電位和自腐蝕電流密度均低于添加GO制備的復(fù)合鍍層。由于添加GO的復(fù)合鍍層致密度提高，即使少量腐蝕性離子穿過表面缺陷進(jìn)入鍍層內(nèi)部，其在鍍層內(nèi)部繼續(xù)滲透的阻力也將會增加，進(jìn)而使復(fù)合鍍層具有較好的耐蝕性[33]。GO對耐蝕性的影響主要由于其小尺寸效應(yīng)、二維片層結(jié)構(gòu)、快速導(dǎo)電能力，以及其在鍍液中顯電負(fù)性，小尺寸效應(yīng)使GO可以填充到電沉積過程中產(chǎn)生的缺陷中，從而使鍍層致密，較大的比表面積造成腐蝕離子擴(kuò)散路徑彎曲蔓延，優(yōu)異的導(dǎo)電能力使沉積速率增加，因此耐蝕性更好，在鍍液中顯電負(fù)性會與Ni2+先結(jié)合，使鍍層更加致密，但隨著GO增加至0.4 g/L，鍍層質(zhì)量下降，耐蝕性降低，結(jié)合GO添加0.3 g/L時(shí)均勻致密的表面形貌和優(yōu)異的力學(xué)性能，確定0.3 g/L為最佳添加量。

圖10 GO添加量對復(fù)合鍍層極化曲線的影響

表3 極化曲線擬合結(jié)果

Tab.3 Fitting results of polarization curves

為進(jìn)一步測試Ni-TiN-0.3g/LGO復(fù)合鍍層的耐蝕性，對其進(jìn)行96 h中性鹽霧試驗(yàn)，基體和GO添加前后復(fù)合鍍層鹽霧試驗(yàn)的SEM形貌如圖11所示，可見基體表面腐蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯的腐蝕裂紋及腐蝕凹坑。Ni-TiN鍍層表面未見明顯裂紋的存在，但產(chǎn)生了大量腐蝕產(chǎn)物，鍍層出現(xiàn)疏松脫落的現(xiàn)象，Ni-TiN- 0.3g/LGO復(fù)合鍍層表面腐蝕產(chǎn)物大量減少，未見明顯脫落，表明GO有效阻擋了腐蝕介質(zhì)進(jìn)入鍍層內(nèi)部，提高了鍍層耐蝕性。

圖11 基體和GO添加前后復(fù)合鍍層鹽霧試驗(yàn)SEM形貌

3 結(jié)論

1）在本試驗(yàn)條件下，最合宜的GO含量為0.3 g/L，所得鍍層平整致密，與基體結(jié)合良好，無明顯孔隙和裂紋，厚度為8.64 μm，Ni-TiN-0.3 g/LGO復(fù)合鍍層表現(xiàn)出（111）和（200）晶面的雙擇優(yōu)取向，在保證強(qiáng)度硬度的同時(shí)具有良好的塑性和韌性。

2）一定范圍內(nèi)GO含量的增加有利于晶粒尺寸的減小，Ni-TiN-0.3g/LGO復(fù)合鍍層有最小的晶粒尺寸和最大硬度，分別為22.8 nm和1 529.1HV，GO可以彌散分布于鍍層，使晶粒細(xì)化，由于其優(yōu)異的導(dǎo)電特性，提高了沉積速率，使缺陷減少，鍍層致密，摩擦因數(shù)為0.8，顯著增強(qiáng)了鍍層的耐磨性。

3）由于GO小尺寸效應(yīng)可以填充在鍍層孔隙，有效減少缺陷，鍍層更加致密，其較大的比表面積可以有效阻礙腐蝕離子進(jìn)入，當(dāng)GO含量為0.3 g/L時(shí)，復(fù)合鍍層自腐蝕電流密度較基體和Ni-TiN鍍層下降1個(gè)數(shù)量級，但腐蝕電位無明顯差異，經(jīng)96 h鹽霧試驗(yàn)后表面無開裂，只有少量腐蝕產(chǎn)物附著，說明鍍層耐蝕性優(yōu)異。

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Effect of Graphene Oxide on Microstructure and Properties of Nano-cermet Composite Coatings

a,b,a,b,b

(a. College of Mechanical Engineering, b. College of Physical Science and Technology, Dalian University, Liaoning Dalian 116622, China)

The work aims to improve the hardness, wear resistance and corrosion resistance of the nano metal-ceramic composite coatings. The method was to prepare Ni-TiN-GO composite layers by adding different contents of graphene oxide (GO) to the plating solution and using nanoelectrodeposition on the surface of alloy steel, and characterize and analyze the structure, composition, microhardness, wear resistance and corrosion resistance of the plated layer, to investigate the effect of GO content on its tissue properties and determine the most suitable GO content. The result showed that the most suitable GO content was 0.3 g/L, and the surface of the resulting plating was flat and dense, with good bonding with the substrate, and the thickness was 8.64 μm; The crystalline surface exhibited double selective orientation with the smallest grain size and the largest micro hardness at 22.8 nm and 1 529.1HV respectively, 312.6% increase in hardness compared with the substrate; GO was diffusely distributed in the plating layer, providing numerous nucleation sites and decreasing the grain size of the plating layer. GO could be diffusely distributed in the plating layer to refine the grains. Due to its excellent conductive properties, the deposition rate was increased, resulting in fewer defects, dense plating, and a friction coefficient of 0.8, which significantly enhanced the wear resistance of the plating layer. Mainly based on abrasive wear, with good wear resistance, GO was dispersed as a solid lubricant on the surface of the plating, which prevented direct contact between the friction subsets and made the wear marks significantly weaker. Due to the small size of GO, it could fill in the plating pores, effectively reduce defects, and achieve dense plating. In addition, its larger specific surface area could effectively prevent corrosion ions from entering. The Ni-TiN-0.3g/LGO composite plating self-corrosion current density decreased by an order of magnitude compared with the base and Ni-TiN plating, the corrosion potential of the composite coating was the most positive, –0.710 V, and the self-corrosion current density was also the smallest, 2.24×10–5A/cm2. After 96 h salt spray test, the plating did not crack and only a small amount of corrosion products were attached, which showed good corrosion resistance. It is concluded that GO can reduce the grain size to achieve the effect of fine grain strengthening, and when the addition of GO is 0.3 g/L, the density of the plating surface is the largest and the defects are reduced. In addition, its larger specific surface area can prevent the passage of corrosion ions, thus improving the corrosion resistance of the plated layer; GO co-deposits to the pore defects by combining with Ni2+in the plating solution to form a complex. At the same time, GO is diffusely distributed in the plated layer, providing numerous nucleation sites, and the grain size of the plated layer decreases, so that the hardness of the plated layer is improved. The wear resistance of the plating also increases because GO has a certain self-lubricating ability.

graphene oxide; nanoelectrodeposition; cermet composite coatings; microstructure and property

2022-08-30；

2023-02-10

TQ153

A

1001-3660(2023)10-0394-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.035

2022-08-30；

2023-02-10

國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（6142005180302）

National Defense Key Laboratory of Science and Technology Fund Project (6142005180302)

李智, 劉崇宇, 葛毓立, 等. 氧化石墨烯對納米金屬陶瓷復(fù)合鍍層組織性能影響[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(10): 394-402.

LI Zhi, LIU Chong-yu, GE Yu-li, et al. Effect of Graphene Oxide on Microstructure and Properties of Nano-cermet Composite Coatings[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 394-402.

責(zé)任編輯：藍(lán)英僑