本发明涉及先进表面工程技术领域，更具体地说，涉及一种金属零件修复用高强度涂层及其制备方法。
背景技术：
电沉积技术是最有应用前景的低成本涂层制作方法之一，具有工艺简单、操作方便、镀层种类多等优点，对于薄壁零件和损伤量较小零件的修复具有其它技术(如堆焊、激光、喷涂等)无法比拟的优势。不过用于沉积的单一元素基本上如铜、镍等金属，硬度、抗拉强度、抗蠕变强度低，对于被修复对象性能恢复效果较差。为了获得高性能的修复涂层，通常可采取复合电沉积的方式，即在电解液中添加纳米增强相颗粒，如纳米氧化铝和碳化硅颗粒，与金属离子共沉积在被修复材料表面，形成纳米复合镀层。由于纳米复合镀层包含有性能优异的纳米颗粒，因此产生的修复涂层具有良好的综合性能，可显著提高镀层硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及沉积的均匀性等。
射流电沉积方法是近年来出现的一种新型电沉积方法，它的主要特点是使电解液在一定压力下，高速喷向阴极表面，因此具有极高的液相传质作用，可在沉积层中形成细小的纳米晶结构以及极高的极限电流密度。同时其特有的高速液流也在纳米复合电沉积应用中起到了一定的搅拌作用，有效地避免了纳米颗粒的团聚。在专利cn101717977b高硬度cu-sic纳米复合镀层的制备方法及其专用设备，提出使用射流电沉积的方法制备将混有sic纳米颗粒的电解液在一定压力作用下高速从阳极腔高速喷向阴极表面，加速了电解液的流动，对电解液的纳米颗粒起到强烈的搅拌作用，有效地避免了纳米颗粒的团聚。不过这些方法仅仅单纯考虑到了一面，而没有将物理和化学作用效果结合起来，发挥综合作用，因此取得的效果也比较有限。
技术实现要素：
1．要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种金属零件修复用高强度涂层及其制备方法，可以通过从电解液中添加一定含量的尿素和三氧化二铝纳米颗粒，并保证特定的温度场和动力场，以使二者发挥以下作用，并在络合装置的预处理效果下，使尿素分子在合适温度和高速流场下，与金属阳离子形成络合物，在纳米颗粒表面附着、环绕，使纳米颗粒表面带正电荷，并逐渐增加，因此使纳米颗粒之间形成了静电互斥力，产生自分散效应，避免了团聚，同时纳米颗粒增大的表面正电荷也增强了带负电的阴极对纳米颗粒的吸引力，促使更多的纳米颗粒向阴极沉积，从而增大阴极中纳米颗粒含量，纳米复合镀层的纳米颗粒含量高、分布均匀、硬度高、结晶组织致密、表面质量好，从而更加有效地提高复合镀层的力学性能。
2．技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种金属零件修复用高强度涂层，包括以下基础成分：五水硫酸铜250g/l、浓硫酸50g/l、尿素5-20g/l、硫脲5mg/l和al2o310g/l。
进一步的，所述al2o3的粒径为35-50nm。
一种金属零件修复用高强度涂层的制备方法，包括以下步骤：
s1、对待修复基体材料表面进行预处理，然后配置涂层用电解液，其中尿素未添加，备用；
s2、对电解液进行预处理，在电沉积前先将复合电解液超声搅拌30-40min，然后通过间断性的磁吸作用和光持续性的照作用利用络合装置添加尿素进行最终处理，结束后进行电沉积；
s3、电沉积参数选择为单脉冲电流密度150-550a/dm2，脉冲频率5000hz，占空比1:4，电解液流速300l/h，扫描层数800层，扫描速度1000mm/min，沉积时间30min；
s4、对沉积后的镀层进行xrd衍射分析，计算镀层晶粒尺寸，进行对比统计，同时对镀层进行力学性能测试，包括硬度测试和拉升强度测试。
进一步的，所述步骤s1中待修复基体材料的预处理包括以下步骤：
s11、先用400目金相砂纸打磨待修复材料表面，去除其氧化层，再以800-1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；
s12、将打磨后的材料用35g/lnaoh溶液进行清洗，表面脱脂除油：然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理；
s13、蒸馏水清洗干净、晾干备用。
进一步的，所述步骤s2和s3中均保持电解液的温度为50-60℃。
进一步的，所述步骤s3中电沉积采用的矩形喷嘴口径20×1mm，喷嘴与待修复基体材料距离为3mm。
进一步的，所述络合装置包括处理台，所述处理台上端开设有多个均匀分布的络合槽，所述处理台上端还连接有多个与络合槽相对应的络合盖，所述络合盖上端开设有避光球槽，所述避光球槽内活动镶嵌有相匹配的避光磁球，所述避光磁球下端连接有摩擦棒，所述络合盖内端连接有制粉套，且摩擦棒贯穿络合盖和摩擦棒并延伸至络合盖内侧，所述避光球槽侧壁上镶嵌连接有多根导光棒，所述络合盖内壁上连接有多个与导光棒相对应的制气囊，且导光棒延伸至制气囊内，所述络合盖靠近络合槽一端连接有多片环形阵列分布的聚气片，所述聚气片与摩擦棒之间连接有密封拉丝，基于对避光磁球的磁吸作用，迫使避光磁球离开避光槽，然后光照通过导光棒进入到制气囊内，迫使制气囊加速释放气体，同时避光磁球在上移的过程中，一方面摩擦棒对制粉套进行摩擦，释放出合适粒径的尿素，另一方面通过密封拉丝拉动聚气片闭合进行密封，气体与尿素混合后，当磁吸力消失一切复位时，混合后的气体和尿素进入到络合槽内的电解液中，对还存在团聚现象的纳米颗粒进行冲击，从而迫使其分散，然后尿素迅速填充于纳米颗粒之间的间隙中，气体形成的气泡在炸裂形成的冲击作用起到二次分散的作用，同时为尿素分子提供动力，促使尿素分子与金属离子形成络合物附着在纳米颗粒表面。
进一步的，所述制粉套内填充有颗粒状的尿素，所述制粉套开设有漏粉孔，且漏粉孔与摩擦棒之间的孔隙为50-100nm，摩擦棒在对颗粒状的尿素进行摩擦磨粉，粉末状的尿素在进入到电解液中后，合适的粒径有助于对团聚的纳米颗粒进行有效的分散，同时也方便迅速与金属离子形成络合物进行附着。
进一步的，所述制气囊采用防水透气材料制成，且制气囊内填充有过氧化氢溶液，过氧化氢溶液正常状态下分解十分缓慢，而在光照作用下会加速分解，释放出的氧气裹带尿素粉末在聚气片重新开放后进入到电解液中进行作用。
进一步的，所述步骤s3中电沉积的过程中仍保持超声搅拌直至结束，有效防止部分纳米颗粒出现二次团聚现象。
3．有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
（1）本方案可以通过从电解液中添加一定含量的尿素和三氧化二铝纳米颗粒，并保证特定的温度场和动力场，以使二者发挥以下作用，并在络合装置的预处理效果下，使尿素分子在合适温度和高速流场下，与金属阳离子形成络合物，在纳米颗粒表面附着、环绕，使纳米颗粒表面带正电荷，并逐渐增加，因此使纳米颗粒之间形成了静电互斥力，产生自分散效应，避免了团聚，同时纳米颗粒增大的表面正电荷也增强了带负电的阴极对纳米颗粒的吸引力，促使更多的纳米颗粒向阴极沉积，从而增大阴极中纳米颗粒含量，纳米复合镀层的纳米颗粒含量高、分布均匀、硬度高、结晶组织致密、表面质量好，从而更加有效地提高复合镀层的力学性能。
（2）基于对避光磁球的磁吸作用，迫使避光磁球离开避光槽，然后光照通过导光棒进入到制气囊内，迫使制气囊加速释放气体，同时避光磁球在上移的过程中，一方面摩擦棒对制粉套进行摩擦，释放出合适粒径的尿素，另一方面通过密封拉丝拉动聚气片闭合进行密封，气体与尿素混合后，当磁吸力消失一切复位时，混合后的气体和尿素进入到络合槽内的电解液中，对还存在团聚现象的纳米颗粒进行冲击，从而迫使其分散，然后尿素迅速填充于纳米颗粒之间的间隙中，气体形成的气泡在炸裂形成的冲击作用起到二次分散的作用，同时为尿素分子提供动力，促使尿素分子与金属离子形成络合物附着在纳米颗粒表面。
（3）制粉套内填充有颗粒状的尿素，制粉套开设有漏粉孔，且漏粉孔与摩擦棒之间的孔隙为50-100nm，摩擦棒在对颗粒状的尿素进行摩擦磨粉，粉末状的尿素在进入到电解液中后，合适的粒径有助于对团聚的纳米颗粒进行有效的分散，同时也方便迅速与金属离子形成络合物进行附着。
（4）制气囊采用防水透气材料制成，且制气囊内填充有过氧化氢溶液，过氧化氢溶液正常状态下分解十分缓慢，而在光照作用下会加速分解，释放出的氧气裹带尿素粉末在聚气片重新开放后进入到电解液中进行作用。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明络合装置的结构示意图；
图3为本发明络合槽部分的结构示意图；
图4为本发明不同尿素添加含量下的镀层中纳米氧化铝的复合含量分布图；
图5为本发明不同尿素添加含量下的镀层显微硬度分布图；
图6为本发明不同尿素添加含量下的镀层拉伸强度分布图。
图中标号说明：
1处理台、2络合槽、3络合盖、4避光磁球、5摩擦棒、6制粉套、7导光棒、8制气囊、9聚气片、10密封拉丝。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1，一种金属零件修复用高强度涂层，包括以下基础成分：五水硫酸铜250g/l、浓硫酸50g/l、尿素10g/l、硫脲5mg/l和al2o310g/l。
al2o3的粒径为35-50nm。
一种金属零件修复用高强度涂层的制备方法，包括以下步骤：
s1、对待修复基体材料表面进行预处理，然后配置涂层用电解液，其中尿素未添加，备用；
s2、对电解液进行预处理，在电沉积前先将复合电解液超声搅拌30-40min，然后通过间断性的磁吸作用和光持续性的照作用利用络合装置添加尿素进行最终处理，结束后进行电沉积；
s3、电沉积参数选择为单脉冲电流密度400a/dm2，脉冲频率5000hz，占空比1:4，电解液流速300l/h，扫描层数800层，扫描速度1000mm/min，沉积时间30min；
s4、对沉积后的镀层进行xrd衍射分析，计算镀层晶粒尺寸，进行对比统计，同时对镀层进行力学性能测试，包括硬度测试和拉升强度测试。
步骤s1中待修复基体材料的预处理包括以下步骤：
s11、先用400目金相砂纸打磨待修复材料表面，去除其氧化层，再以800-1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；
s12、将打磨后的材料用35g/lnaoh溶液进行清洗，表面脱脂除油：然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理；
s13、蒸馏水清洗干净、晾干备用。
步骤s2和s3中均保持电解液的温度为50-60℃。
步骤s3中电沉积采用的矩形喷嘴口径20×1mm，喷嘴与待修复基体材料距离为3mm。
请参阅图2-3，络合装置包括处理台1，处理台1上端开设有多个均匀分布的络合槽2，处理台1上端还连接有多个与络合槽2相对应的络合盖3，络合盖3上端开设有避光球槽，避光球槽内活动镶嵌有相匹配的避光磁球4，避光磁球4下端连接有摩擦棒5，络合盖3内端连接有制粉套6，且摩擦棒5贯穿络合盖3和摩擦棒5并延伸至络合盖3内侧，避光球槽侧壁上镶嵌连接有多根导光棒7，络合盖3内壁上连接有多个与导光棒7相对应的制气囊8，且导光棒7延伸至制气囊8内，络合盖3靠近络合槽2一端连接有多片环形阵列分布的聚气片9，聚气片9与摩擦棒5之间连接有密封拉丝10，基于对避光磁球4的磁吸作用，迫使避光磁球4离开避光槽，然后光照通过导光棒7进入到制气囊8内，迫使制气囊8加速释放气体，同时避光磁球4在上移的过程中，一方面摩擦棒5对制粉套6进行摩擦，释放出合适粒径的尿素，另一方面通过密封拉丝10拉动聚气片9闭合进行密封，气体与尿素混合后，当磁吸力消失一切复位时，混合后的气体和尿素进入到络合槽2内的电解液中，对还存在团聚现象的纳米颗粒进行冲击，从而迫使其分散，然后尿素迅速填充于纳米颗粒之间的间隙中，气体形成的气泡在炸裂形成的冲击作用起到二次分散的作用，同时为尿素分子提供动力，促使尿素分子与金属离子形成络合物附着在纳米颗粒表面。
制粉套6内填充有颗粒状的尿素，制粉套6开设有漏粉孔，且漏粉孔与摩擦棒5之间的孔隙为50-100nm，摩擦棒5在对颗粒状的尿素进行摩擦磨粉，粉末状的尿素在进入到电解液中后，合适的粒径有助于对团聚的纳米颗粒进行有效的分散，同时也方便迅速与金属离子形成络合物进行附着。
制气囊8采用防水透气材料制成，且制气囊8内填充有过氧化氢溶液，过氧化氢溶液正常状态下分解十分缓慢，而在光照作用下会加速分解，释放出的氧气裹带尿素粉末在聚气片9重新开放后进入到电解液中进行作用。
步骤s3中电沉积的过程中仍保持超声搅拌直至结束，有效防止部分纳米颗粒出现二次团聚现象。
请参阅图4-6，电解液加入一定量的尿素添加剂和纳米氧化铝，对沉积质量具有改善作用，尿素最优的添加浓度为10g/l，具体表现根据附图可以看出，在加入10g/l尿素之后，复合镀层中纳米氧化铝的复合含量最高，其形成的镀层力学性能最好，表现为硬度以及拉伸强度相对于其他添加浓度最高，同时，也可以发现300-400a/dm2电流密度作用下，力学性能最为突出。因此，取10g/l尿素添加量和400a/dm2为镀层性能强化方案的最优工艺参数。
本发明可以通过从电解液中添加一定含量的尿素和三氧化二铝纳米颗粒，并保证特定的温度场和动力场，以使二者发挥以下作用，并在络合装置的预处理效果下，使尿素分子在合适温度和高速流场下，与金属阳离子形成络合物，在纳米颗粒表面附着、环绕，使纳米颗粒表面带正电荷，并逐渐增加，因此使纳米颗粒之间形成了静电互斥力，产生自分散效应，避免了团聚，同时纳米颗粒增大的表面正电荷也增强了带负电的阴极对纳米颗粒的吸引力，促使更多的纳米颗粒向阴极沉积，从而增大阴极中纳米颗粒含量，纳米复合镀层的纳米颗粒含量高、分布均匀、硬度高、结晶组织致密、表面质量好，从而更加有效地提高复合镀层的力学性能。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
