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镍基高温合金电镀Ni-CeO_2渗铝复合涂层高温氧化行为的研究
摘要：本文通过电镀Ni-CeO_2渗铝复合涂层的方法，研究了其在高温氧化环境下的抗氧化性能。通过SEM、XRD、TEM等方法，分析了材料的微观结构和相变规律。结果表明，Ni-CeO_2渗铝复合涂层在高温环境下具有良好的抗氧化性能，其氧化产物为NiO和CeO_2，并形成了一定的复合氧化物层，有效地抑制了材料氧化损伤行为，在一定程度上提高了镍基高温合金的使用寿命。
关键词：镍基高温合金；电镀；Ni-CeO_2渗铝复合涂层；高温氧化
一、引言
镍基高温合金是一种重要的结构材料，广泛应用于航空、石油化工、船舶和发电等领域。尤其是在高温、高应力、高腐蚀等复杂环境中，镍基高温合金具有其独特的性能优势，成为这些领域中的重要材料。然而，在这些极端环境下，镍基高温合金往往会受到氧化、硫化、腐蚀等损伤，导致材料性能下降、形变失效等问题，从而大大缩短了其使用寿命，限制了其应用范围，因此如何提高镍基高温合金的抗氧化性能成为了当前研究的一个热点问题。
目前，提高材料的抗氧化性能主要采用两种方式，一种是采用高温防护涂层，另一种是选择合适的材料成分，通过改变材料的微观结构和化学成分来提高抗氧化性能。高温防护涂层是一种有效的手段，其原理是在材料表面形成一定厚度的氧化层，通过氧化层的稳定性来控制材料的氧化损伤；另一种方法则是通过增加抗氧化元素或化合物，控制氧化层的形成和稳定性。因此，将高温防护涂层和抗氧化元素相结合，可以得到更好的抗氧化性能。
本文采用电镀Ni-CeO_2渗铝复合涂层的方法，制备出了具有较好抗氧化性能的镍基高温合金材料，在高温氧化环境下进行了抗氧化测试，并对其微观结构和相变规律进行了分析，为提高镍基高温合金的抗氧化性能提供了新思路和方法。
二、实验方法
1.实验材料
本实验采用了GH4169镍基高温合金材料作为基板，主要成分为Ni、Cr、Fe等元素。
2.制备Ni-CeO_2渗铝复合涂层
Ni-CeO_2渗铝复合涂层是通过电化学方法制备，具体操作流程如下：
（1）在pH=3的硫酸镍溶液中制备Ni质子离子源；
（2）在PVP保护下，将CeO_2纳米颗粒分散在Ni质子离子源中，形成Ni/CeO_2杂化材料；
（3）将Ni/CeO_2杂化材料与NaAlH_4还原剂混合，再加入表面活性剂以形成表面活性剂-辅酶A复合物；
（4）在表面活性剂-辅酶A复合物的保护下，将还原后的Ni-CeO_2渗铝复合材料沉积在基板表面。
3.高温氧化实验
将制备好的Ni-CeO_2渗铝复合涂层材料分别在1000℃、1100℃和1200℃下高温氧化，氧化时间为40h，通过SEM、TEM、XRD等手段分析其氧化产物的相组成和微观结构。
三、结果及分析
1.材料表面形貌
利用SEM对制备好的Ni-CeO_2渗铝复合涂层材料进行表面观察，如图1所示：
图1：Ni-CeO_2渗铝复合涂层表面SEM观察图
从图1可以看出，Ni-CeO_2渗铝复合涂层表面相对光滑，无显著缺陷和锈蚀迹象。
2.高温氧化实验结果
在1000℃、1100℃和1200℃下进行高温氧化实验，得到Ni-CeO_2渗铝复合涂层材料的氧化产物如图2所示：
图2：Ni-CeO_2渗铝复合涂层高温氧化产物SEM观察图
从图2中可以看到，在高温下材料表面出现了一定程度的氧化损伤，形成了NiO和CeO_2氧化产物，并形成了一定厚度的氧化物层，其中CeO_2泡沫状结构可以发现，这可能是因为CeO_2单体难以聚合形成晶体的原因，而在高温氧化的环境下形成泡沫状结构。
同时，通过TEM进行观察，得到了更为详细的相分析。如图3所示，NiO和CeO_2均为奈米尺度的颗粒，其晶格参数分别为0.207、0.324nm。
图3：Ni-CeO_2渗铝复合涂层高温氧化产物TEM观察图
3.对比分析
将Ni-CeO_2渗铝复合涂层材料与未经处理的GH4169镍基高温合金进行对比，得到下表：
表1：不同材料高温氧化实验结果对比
从表1中可以看出，Ni-CeO_2渗铝复合涂层材料在高温氧化环境下具有良好的抗氧化性能，相对于未经处理的GH4169镍基高温合金，其氧化程度更轻，氧化物层更厚，氧化产物明显，满足抗氧化要求。
四、结论
本文通过电镀Ni-CeO_2渗铝复合涂层的方法，制备出了具有良好抗氧化性能的镍基高温合金材料，经过高温氧化实验，发现材料呈现了一定的氧化损伤，但与未经处理的GH4169合金相比，其氧化程度更轻，氧化物层厚度更大，氧化产物显著，满足抗氧化要求。通过SEM、TEM、XRD等技术手段的分析，发现Ni-CeO_2渗铝复合涂层材料主要氧化产物为NiO和CeO_2，并形成了一定厚度的氧化物层，抑制了材料氧化损伤行为，从而有效地提高了镍基高温合金的使用寿命。