一种往复型梯度结构金属镍及其制备方法与流程

本发明属于金属材料，具体涉及一种往复型梯度结构金属镍及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，受自然界中普遍存在的梯度材料的启发，梯度结构被引入新型金属结构材料的设计和开发，并呈现出了优良的综合性能。从上而下和从下而上是制备梯度结构金属材料的两种基本方式，具体包括通过塑性变形法、热处理法及电沉积法等。其中，电沉积法作为一种自下而上的方式，连续改变相关电沉积参数，即可实现镀层微观结构或成分的连续变化，并且样品的几何尺寸几乎不受限制。专利文献cn104862748a公开了一种晶粒尺寸梯度结构金属镍及其可控制备方法，实现了梯度结构分布形式的精确控制。此方法通过连续调控电流密度和添加剂糖精钠浓度，实现了晶粒尺寸梯度结构金属镍的可控制备。但是，该方法主要针对梯度结构分布形式的调控，其晶粒尺寸沿着生长方向只能逐渐细化，尚不能对梯度取向进行调控。

2、将梯度结构单元变化/过渡的方向定义为梯度取向，除了梯度结构分布形式之外，梯度取向也会显著影响整体材料的力学性能，由粗晶→纳米晶的梯度过渡与由纳米晶→粗晶的梯度过渡是两种截然相反的梯度取向。目前金属结构材料为单一取向梯度结构，尚未在金属材料中实现梯度结构的往复型周期性变化，限制了金属材料的应用范围。

技术实现思路

1、针对现有技术方法的不足，本发明提供一种往复型梯度结构金属镍及其制备方法，在金属镍中制备出不同分布形式的往复型晶粒尺寸梯度，同时具有梯度分布形式和梯度取向的双调控，进一步拓展梯度结构金属材料的应用范围。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种往复型梯度结构金属镍的制备方法，包括以下步骤：采用电化学沉积方式，以镍为消耗性阳极，通过控制电流密度随时间的周期性变化以及电镀液温度随时间的周期性变化，在直流电流的作用下在基体上沉积形成往复型梯度结构金属镍。

4、优选地，所述电流密度随时间的周期性变化是：随沉积时间的增加，所述电流密度由20-40ma/cm2逐步增加至80-120ma/cm2再逐步降低至20-40ma/cm2；或者电流密度由80-120ma/cm2逐步降低至20-40ma/cm2再逐步增加至80-120ma/cm2。

5、优选地，所述电流密度随时间的周期性变化是：

6、第一阶段：控制所述电流密度在电化学沉积开始的6-6.5h内为20-40ma/cm2范围内的恒定值；

7、第二阶段：在第一阶段结束后的1-1.5h内将所述电流密度由第一阶段的所述恒定值逐渐增大至80-120ma/cm2范围内的恒定值；

8、第三阶段：在第二阶段结束后保持第二阶段的所述恒定值0.5-0.7h；

9、第四阶段：在第三阶段结束后的1-1.5h内将所述电流密度由第三阶段的所述恒定值逐渐降低至20-40ma/cm2范围内的恒定值；

10、第五阶段：在第四阶段结束后保持第四阶段的所述恒定值6-6.5h，沉积结束；

11、或者所述电流密度按以下阶段进行周期性往复变化：

12、第一阶段：控制所述电流密度在电化学沉积开始的0.5-0.7h内为80-120ma/cm2范围内的恒定值；

13、第二阶段：在第一阶段结束后的1-1.5h内将所述电流密度由第一阶段的所述恒定值逐渐降低至20-40ma/cm2；

14、第三阶段：在第二阶段结束后保持第二阶段的所述恒定值12-13h；

15、第四阶段：在第三阶段结束后的1-1.5h内将所述电流密度由第三阶段的所述恒定值逐渐增加至80-120ma/cm2；

16、第五阶段：在第四阶段结束后保持第四阶段的所述恒定值0.5-0.7h，沉积结束。

17、优选地，所述温度随时间的周期性变化是：随沉积时间的增加，所述温度由75-80℃先逐步降低至55-60℃再逐步降低至30-50℃，随后逐步增加至55-60℃，最后逐步增加至75-80℃；或者温度由30-50℃先逐步增加至55-60℃再逐步增加至75-80℃，随后逐步降低至55-60℃，最后逐步降低至30-50℃。

18、优选地，所述温度按以下阶段进行周期性往复变化：

19、a阶段：控制所述镀液的温度在电化学沉积开始的3-5.5h内恒定为75-80℃；

20、b阶段：在a阶段结束后的1-1.5h内将所述镀液的温度由75-80℃降低至55-60℃；

21、c阶段：在b阶段结束后的1-1.5h内将所述镀液的温度由55-60℃降低至30-50℃；

22、d阶段：在c阶段结束后保持c阶段的所述恒定值0.5-0.7h；

23、e阶段：在d阶段结束后的1-1.5h内将所述镀液的温度由30-50℃增大至55-60℃；

24、f阶段：在e阶段结束后的1-1.5h内将所述镀液的温度由55-60℃增大至75-80℃；

25、g阶段：在f阶段结束后保持f阶段的所述恒定值3-5.5h，沉积结束；

26、或者所述温度按以下阶段进行周期性往复变化：

27、a阶段：控制所述镀液的温度在电化学沉积开始的0.5-0.7h内恒定为30-50℃；

28、b阶段：在a阶段结束后的1-1.5h内将所述镀液的温度由30-50℃增大至55-60℃；

29、c阶段：在b阶段结束后的1-1.5h内将所述镀液的温度由55-60℃增大至75-80℃；

30、d阶段：在c阶段结束后保持c阶段的所述恒定值10-11h；

31、e阶段：在d阶段结束后的1-1.5h内将所述镀液的温度由75-80℃降低至55-60℃；

32、f阶段：在e阶段结束后的1-1.5h内将所述镀液的温度由55-60℃降低至30-50℃；

33、g阶段：在f阶段结束后保持f阶段的所述恒定值0.5-0.7h，沉积结束。

34、优选地，还包括在电化学沉积前配制镀液，所述镀液中含有以下组分：50-300g/l的六水硫酸镍、40-45g/l的六水氯化镍、40-45g/l的硼酸、0-6g/l的糖精钠和0.05-0.5g/l的十二烷基硫酸钠。

35、优选地，所述镀液的ph值为3.5-5.5。

36、优选地，所述在电化学沉积前对基体进行预处理，所述预处理包括对基体进行机械磨抛和表面除油。

37、一种由上述制备方法制备的往复型梯度结构金属镍。

38、优选地，所述往复型梯度结构金属镍中晶粒尺寸先由10-20μm逐渐细化至25-30nm，再逐渐粗化至10-20μm，如此重复直至沉积结束；或者所述往复型梯度结构金属镍中晶粒尺寸先由25-30nm逐渐粗化至10-20μm，再逐渐细化至25-30nm，如此重复直至沉积结束。

39、本发明的积极有益效果：

40、1.本发明采用电化学沉积方式，将电流密度和电镀液温度随沉积时间在特定的范围内周期性变化，在金属镍中制备出不同分布形式的柱状粗晶-超细晶-纳米晶-超细晶-柱状粗晶过渡或者纳米晶-超细晶-柱状粗晶-超细晶-纳米晶的往复型晶粒尺寸梯度，同时具有梯度分布形式和梯度取向的双调控，相比于现有单一取向梯度结构，有更多的自由度调控整体材料的性能，进一步拓宽梯度结构金属材料的应用范围，为面向未来的工程应用提供技术储备。

41、2.本发明通过梯度分布形式和梯度取向的双调控，可根据工程需要对金属镍不同空间位置所需要的硬度、强度、延伸率力学性能进行定制设计，实现同一材料的多场景应用需求，提高了适用性。