超声振动车削微织构基体表面化学镀层性能及界面结合行为研究

来源 :齐鲁工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zqdxtushuguan
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化学镀Ni-P涂层以其环境污染小、性能稳定、操作简单、制备均匀等优点受到广泛关注,然而由于涂层-基体间有着不同表面预处理方式、热膨胀系数、润湿性能等,Ni-P涂层仍存在结合强度不足、容易脱落的问题。对基材表面进行适当的预处理,譬如微织构化基材表面,可以改变涂层-基体界面结合状态,有效增加涂层的附着力。采用径向超声振动辅助车削(Radial Ultrasonic Vibration assisted Turning,RUVT)方法对304不锈钢表面进行微观织构化处理,并进一步在微织构基体表面上沉积了化学镀涂层。系统性研究了微织构基体表面涂层微观结构、表面性能、力学性能等特性,分析了涂层-基体间结合行为,得出了相关研究结论。主要研究内容和结论包括:(1)以提高化学镀涂层与基体结合性能为目标,采用RUVT方法对基体表面进行微织构加工预处理。基于刀具几何运动学分析对RUVT加工微织构表面形貌进行仿真模拟,分析RUVT主要加工参数对微织构形貌的影响规律。在仿真模拟基础上,选用“D”型硬质合金车刀,合理选择工艺参数,加工了五个典型微织构基体试样。以普通车削加工基体表面作为对比试样,对五个微织构基体表面形貌进行分析。结果表明:径向超声振动的施加极大改变了车刀运动轨迹,形成完全不同于普通车削表面的微凹坑型织构表面。随着主轴转速的降低,凹坑密度增加,粗糙度(Sa)增大;随着进给量增加,凹坑宽度增加,粗糙度(Sa)也随之增大。施加超声振动后,基体表面应力状态呈现为压应力,并且随着主轴转速的降低和进给量的增加,残余压应力增大。(2)采用化学镀方法在微织构基体表面沉积Ni-P涂层。分析了Ni-P涂层的材料特性和表面状态,包括表面形貌、厚度、硬度、结合强度、比表面积、润湿性和表面能等特性。结果表明,与普通车削基体涂层相比较,采用RUVT加工的五种微织构基体涂层厚度和硬度均有不同程度的增加,涂层厚度最大增加了166.80%,硬度最大增加了72.42%。同时,RUVT加工的五种微织构基体涂层的结合性能也有不同程度提升,与普通车削基体涂层相比较,采用RUVT加工的微织构基体涂层的润湿性能及表面能更好,涂层与基体的物理和化学匹配性更好。通过纳米划痕实验、三点弯曲实验、热震实验,验证了涂层与基体的界面结合特性。并且凹坑微织构的密度越大、尺寸越宽、粗糙度越高结合力提升效果越显著。(3)依据涂层-基体界面结合和涂层附着机理,从物理结合与化学结合角度分析了微织构表面对涂层结合性能的提升机制。物理结合方面,微凹坑型织构增加了基体表面粗糙度、比表面积,有助于增加涂层厚度与硬度,因此可以增强基体-涂层界面的机械锚定作用;化学结合方面,凹坑型微织构基体表面亲水性增强,同时表面润湿性能的提升有利于增加表面能,从而使得基体表面原子对镀液中金属离子的吸附能力增强,有利于化学镀液在表面的沉积。
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