[发明专利]具有纳米孪晶结构的纯镍或镍基合金镀层及其电沉积制备方法

说明书

本发明公开了一种具有纳米孪晶结构的纯镍或镍合金镀层及其电沉积制备方法，属于纳米晶体金属材料的制备和镀层防护技术领域。所述镀液采用柠檬酸盐体系，镀液组成主要包括镍源‑硫酸镍、合金源(钼酸钠或硫酸钴或硫酸铜)、络合剂‑柠檬酸钠、添加剂；其余为水。采用直流电沉积制备的纯镍及镍合金镀层均由柱状晶粒组成，柱状晶粒内部含有高密度平行排列的孪晶片层，平均孪晶片层厚度从1.0nm～100nm。该纳米孪晶镍/镍基合金镀层具有高硬度和高热稳定性。在室温条件下，纯镍镀层维氏硬度值为2.0～8.5GPa，结构粗化温度最高可以超过600℃；镍基合金镀层维氏硬度值4.0～8.5GPa，结构粗化温度高于400℃。

技术领域

本发明涉及纳米晶体金属材料的制备和镀层防护技术领域，具体涉及一种具有纳米孪晶结构的纯镍或镍基合金镀层及其电沉积制备方法。

背景技术

镍及镍合金(如镍磷、镍钼和镍钨合金)是具有光亮银白色的金属，在空气中易钝化，有较好的化学稳定性，在常温下亦不受水、大气和碱的侵蚀。此外，镍及镍合金具有较高的硬度、良好的耐磨性和较好的延展性等优点。因此镍及镍合金镀层是应用最广泛的表面镀覆层之一，广泛用于汽车、自行车、仪表、医疗器具、文具用品和日用五金等方面。

近些年来，纳米孪晶材料由于其独特的力学行为，如高强度、良好的塑性和加工硬化能力、较高的热稳定性及高导电性等，受到了材料学界的广泛关注。例如，我国著名材料科学家卢柯院士通过在铜的亚微米晶粒内引入高密度的、平行排列的孪晶片层(专利申请号：200310104274.7)，不但提高了铜的强度(达到了传统粗晶铜的30倍)，还有效的避免了塑性的损失以及维持了较高的导电率(粗晶铜的96％)。香港城市大学的吕坚课题组(文献1：X.W.Liu et al.,High-order hierarchical nanotwins with superior strength andductility,Acta Mater.,149(2018),397-406.)利用表面机械研磨技术(SMGT)制备了具有五级孪晶结构的纯金属Ag，发现多级孪晶结构在大幅度提高材料强度的同时几乎没有引起塑性的下降。德克萨斯AM大学张星航教授研究组通过磁控溅射制备的具有择优取向的纳米孪晶铜(文献2：O.Anderoglu et al.,Thermal stability of sputtered Cu filmswith nanoscale growth twins,J.Appl.Phys.103(2008)094322.)以及330不锈钢薄膜(文献3：X.Zhang,A.Misra.Superior thermal stability of coherent twin boundaries innanotwinned metals,Scripta Mater.66(2012)860-865.)同时表现出高强度和优异的热稳定性(结构粗化温度分别为0.79T_m和0.5T_m)。以上研究结果均表明，构筑纳米尺度孪晶界面是一种有效提升金属材料综合性能的新途径。

目前，纳米孪晶材料的常用制备方法有电沉积法、磁控溅射法和严重塑性变形法(包括SMGT和动态塑性变形法等)。利用这些方法已经制备出具有纳米孪晶结构的Cu、Cu-Al合金、Ag和330不锈钢等金属材料。金属材料纳米孪晶结构的制备难易程度与层错能密切相关，层错能越高，纳米孪晶结构越难制备得到。因此，目前关于纳米孪晶金属材料的研究都集中在低层错能的金属或合金上(包括前面提及的Cu、Cu-Al合金、Ag和330不锈钢等)，而对于高层错能金属(如Ni和Al)，其纳米孪晶结构的制备以及变形行为的研究仍存在大量空白。如何在高层错能金属中构筑出高密度和高孪晶占比(f_nt≈100％)的块体纳米孪晶结构仍是亟需解决的难题。