采用NiP包覆层的RGO增强的镍基真空焊接涂层的性能提升

《Surface and Coatings Technology》：Enhanced performance of Ni-based vacuum brazed coatings reinforced with RGO coated with NiP shell

　　M. Ehsani | S. Sanjabi
纳米材料组，材料工程系，塔比亚特莫达雷斯大学，邮政信箱14115-143，德黑兰，伊朗

**摘要**
本研究旨在通过高真空、高温渗透钎焊技术开发一种高性能的NiCrBSi复合涂层，该涂层使用了还原氧化石墨烯（rGO）和镍磷涂层rGO（rGO@Ni-P）进行增强。rGO的NiP壳层是通过电沉积法合成的，生成了大约70纳米厚的均匀NiP壳层，这一点通过透射电子显微镜（TEM）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）得到了验证。XRD、FESEM和EDS分析显示，添加了rGO@Ni-P的涂层（rGO@Ni-P/NiCrBSi）具有致密的微观结构，并且增强剂分布均匀，消除了未添加NiP壳层的rGO涂层（rGO/NiCrBSi）中存在的孔隙和裂纹。rGO@Ni-P/NiCrBSi涂层的维氏硬度达到了1115，而rGO/NiCrBSi为686，rGO/NiCrBSi仅为467。销盘试验表明，rGO@Ni-P/NiCrBSi涂层的摩擦性能显著提升：摩擦系数从rGO/NiCrBSi的0.424降低到了rGO@Ni-P/NiCrBSi的0.391。此外，磨损率也显著减少，rGO/NiCrBSi为0.6075 mg N?1 m?1，rGO/NiCrBSi为0.5425 mg N?1 m?1，rGO@Ni-P/NiCrBSi为0.3050 mg N?1 m?1，相比没有NiP壳层的rGO/NiCrBSi涂层减少了49.8%。

**引言**
先进涂层的开发对于提升不同工业应用中材料的性能和延长其使用寿命至关重要。由于工程部件会因环境因素和施加应力而逐渐退化，涂层作为一种修复技术可以延长部件的寿命。近年来，纳米复合材料和纳米结构涂层因其优异的机械、物理和化学性能而受到广泛关注[1]。这些涂层可作为保护屏障，减轻磨损、腐蚀和摩擦相关损伤[2]。通过添加各种增强剂可以提升涂层的功能性能。基于碳的材料，如碳纳米管（CNTs）、石墨和石墨烯衍生物，因其出色的机械、电学和热学性能以及摩擦学行为而成为研究热点[1][3]。石墨烯作为一种新型二维材料，具有优异的性能，如良好的摩擦学行为、高电导率和热导率以及高强度[4][5]。其断裂强度高达125 GPa，机械强度为1100 GPa，杨氏模量为1 TPa，热导率为5000 W/m·k，载流子迁移率极高（200,000 cm2/V·s）[6]。石墨烯的优异机械性能归因于其强的σ（CC）键，这种键的强度约为钢的200倍。因此，石墨烯被用作陶瓷、聚合物和金属等多种基体的增强材料[7]。

还原氧化石墨烯（rGO）因其独特的功能组合和易于加工的特性而受到关注。rGO含有羟基、环氧基和羧基等含氧功能团，使其在液态介质中的分散性更好，与金属基体的相容性更强[8][9]。然而，纯石墨烯的惰性表面特性使其难以与金属基体相互作用，从而给在基体中实现均匀分散带来挑战[10][11]。氧化石墨烯（GO）是非晶态材料，含有大量缺陷，导致其机械性能远低于原始石墨烯和还原氧化石墨烯[12]。rGO在原始石墨烯（高表面积和强度）和GO（高水溶性）的特性之间取得了良好的平衡[13]。因此，在本研究中选择了rGO作为增强材料。将石墨烯及其衍生物引入金属基体会影响涂层的微观结构和机械性能[14][15]。最近的研究集中在使用石墨烯增强的镍基复合材料上，以提升其电学、机械和物理性能。Hassannejad等人[16]证明，在电沉积镍涂层中添加石墨烯可以显著减少磨损。Kuang等人[17]研究了镍-石墨烯复合涂层的耐腐蚀性能，发现添加石墨烯后耐腐蚀性显著提高。Zhang等人[18]报告称，在激光熔覆镍基涂层中添加石墨烯可以改善摩擦性能。此外，将石墨烯加入Inconel 718等镍基超合金中可以提升其拉伸强度[19]。研究表明，用石墨烯增强镍涂层后，硬度提高了47%[20]。J. Chen等人还发现，随着石墨烯含量的增加，摩擦系数也随之降低[21]。此外，添加rGO可以抑制晶粒生长，随着rGO含量的增加，晶粒尺寸会减小[1][22]。这些研究表明，石墨烯及其衍生物能够有效提升通过各种技术制备的镍基涂层的性能。

一些涂层技术，如热喷涂[23][24]、热焊接[25]和激光熔覆[26]已被用于制备纳米复合涂层。不过，这些方法通常需要高温处理，可能导致基材熔化、变形和残余应力[27]。高真空渗透钎焊是一种有前景的替代方法，能够生产出变形小且机械性能优异的涂层[28]。该方法基于毛细作用，填充合金（通常是Ni、Co或其合金）在受控条件下渗透到增强结构中，确保增强剂在基体中的均匀分布，并与基体形成牢固的冶金结合。该方法通过传导（0.5 W/cm2）、热辐射（8 W/cm2）和热传导（20 W/cm2）实现全面的热传递。与感应加热（30,000 W/cm2）和激光钎焊（1,000,000 W/cm2）相比，这种方法具有更低的加热和冷却速率[29][30]。镍基钎焊合金NiCrBSi在真空或保护性气氛下对不锈钢材料具有很高的强度，并具有优异的高温强度和抗氧化性。NiCrBS的熔点和液点分别为980°C和1010°C[31]。NiCrBS含有硼和硅等熔点降低元素，能够有效渗透到基体中。它常用于焊接不锈钢和超合金（如GH99超合金），通常可形成351 MPa的接头强度[32]。由于其高硬度和优异的耐磨性，这些涂层可用于换热器和涡轮机等工业应用[33][34]。

将rGO引入金属基体（NiCrBSi合金）时面临的主要挑战包括：由于其高表面能容易聚集，与熔融金属的润湿性差，以及在烧结过程中片状材料容易粗化[1]。这些问题会降低最终复合涂层的机械性能。为了解决这些问题，采用了电沉积和化学反应等表面改性技术，在rGO表面沉积一层薄金属壳[11]。这种方法提高了rGO与熔融金属的润湿性和界面相容性，同时避免了在高温加工过程中的聚集和片状生长[7][10]。电沉积基于在活性表面上催化还原金属盐，特别适用于制备成分和厚度均匀的金属壳[35][36][37]。Jiang等人[10]使用电沉积法在石墨烯上沉积一层镍。然后将镀镍的石墨烯作为增强材料，与铜基体通过火花等离子烧结结合，制备出抗拉强度为232 MPa的复合材料，比纯铜提高了12%。在电沉积前需要进行敏化和活化等预处理工艺[38][39]。这些工艺在rGO表面引入催化核，作为氧化还原反应的起始点。

**结论**
本研究的主要目的是证明在高真空和高温条件下通过渗透钎焊制备复合涂层的可行性。结果显示，经过表面改性的rGO颗粒（以rGO@Ni-P核壳结构形式）可以成功应用于NiCrBSi涂层中。这种方法有效克服了使用rGO作为增强材料时常见的挑战，如润湿性差和界面强度弱等问题。

**作者贡献声明**
M. Ehsani：撰写——原始草案、验证、方法学设计。
S. Sanjabi：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Sohrab Sanjabi博士与塔比亚特莫达雷斯大学有合作关系，并拥有待批专利。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。