复合电沉积纳米金刚石强化镀层的微结构调控、表征和力学性能研究

The surface of piston ring of diesel engine, vane of steam turbine and cold compressor need to be treated by composite electrodeposition. Nano-diamond particles are used as coating materials on metal and metal alloys to enhance their strength which have substantial importance in engineering application. The effect of deposition parameters on coating microstructure is investigated. The interplay between the granularity and contents of nano-diamound particles in the composite coating and the mechanical properties such as Yang's modulus, hardness and limit strength is studied and established to find effective way to fabricate the composite coating with high performance. By characterizing the microstructure of composite coating, the effect of deposition parameters on coating microstructure is investigated. Based on this way, the method to manipulate the coating microstructure is proposed. The surface modification of nano-diamoud particles on improving mechanical properties of coating is stressed. In situ observations are made on the deformation processes of composite coating under tension. A digital image correlation technique together with solid mechanics theory are adopted to analyze the deformation characterization in particles and grain boundaries and understand the underlying reinforce mechanisms. The mechanical properties of composite coating are experimentally measured by using nano-indentation and micro-tensile measurement. Composition-microstructure-property relationship is established to provide principles for material design. The development and analysis of continuum field theories to model complex nonequilibrium growth process and predict the mechanical properties of composite coating have a tremendous impact on designing high performance coating materials.

以我国柴油机中活塞环、汽轮机和制冷压缩机中叶片表面复合电沉积工艺处理中亟待解决的关键技术问题为应用背景，研究复合镀层中纳米金刚石颗粒度、含量与复合镀层硬度、弹性模量及最终应力等力学参数的映射规律，探索制备高强度纳米金刚石复合镀层的有效途径。通过复合镀层形貌表征，研究电沉积制备工艺参数对复合镀层微结构的影响规律，在此基础上对镀层微结构进行调控，为建立纳米金刚石表面修饰与复合镀层的力学性能匹配关系打下基础；原位观察拉伸时复合镀层中微观变形过程，结合图像相关技术及固体力学理论，分析复合镀层内颗粒及晶界微观变形特征，揭示纳米金刚石强化复合镀层机制；使用纳米压痕法及精密微拉伸系统测试复合镀层的力学性能，揭示其成分-组织-性能间的关系，为制备和加工技术提供组织设计原则；通过数值模拟镀层的生长过程，研究各种非平衡动力学过程的协同作用机制，预测复合镀层的力学性能，为主动设计具有高强度复合镀层提供依据。

纳米金刚石在镀液中具有很强的化学稳定性，在制备功能性纳米复合镀层中具有广阔前景。但金刚石粒子的亲油疏水性、高表面活性等，很难与基质金属发生共沉积。本项目采用电沉积法制备了镍镀层和镍/纳米金刚石复合镀层，结合电化学测试手段、现代材料表征手段和实验力学测试方法，对镀层的制备工艺和力学性能进行系统研究。将复合镀层的力学性能和工艺参数通过微观分析有效联系起来，揭示电化学过程的重要作用和纳米金刚石的弥散强化机制。从镀液成分、添加剂、工艺方法参数等方面入手开发出一套行之有效的制备方法，可针对不同需要对镀层的硬度、弹性模量和残余应力水平进行调控。工作分为：纯镍镀层工艺参数及电化学作用机制对镀层形貌、结构和力学性能的影响和调控研究；电沉积制备纯镍镀层工艺研究；纳米金刚石弥散强化镍复合镀层的实验研究。重点关注，与工艺条件密切的电化学调控机制、镀层力学性能和残余应力及微结构间的关系，特别发现，通过选择适当的添加剂及组合可调控镀层残余应力水平。.针对外延薄膜生长过程展开研究。通过 Gibbs-Thomson 关系将应变引入BCF 理论，研究外延岛形貌稳定性，讨论各因素对岛稳定性的影响, 得到扰动增长率以及临界量。提出一个新的相场模型描述外延生长中岛的生长过程，考虑弹性场、沉积、扩散和能量势垒等对薄膜形貌的影响，再现了薄膜从二维到三维生长过程。.针对压痕尺寸效应问题，开展了塑性变形机制研究，对CMSG理论进行了修正，考虑静水压力和尺寸效应对材料塑性行为的影响，建立了有限元计算格式。计算结果与实验结果一致，表明本处方法的有效性。.对于电沉积和电化学储能等电化学体系，力-电化学-扩散耦合问题是交叉领域一大共性和前沿热点问题。本研究提出一个简捷的理论描述电极处的质量传输、变形和应力演化的强耦合过程，采用Bulter-Volmer模型描述电化学边界条件。构造了相应的有限元计算方法，在ABAQUS中搭建了特色计算模块。研究电极应力松弛机制，预测电化学量的变化规律。