答辩博士：耿春雷
指导教师：康敏 教授
论文题目：超声辅助脉冲电沉积Ni–Co–P/SiC–MoS2复合涂层制备及其性能研究
答辩委员会
主席：
薛金林 教授/博导 c7娱乐app下载
委员：
郑恩来 教授/博导 c7娱乐app下载
何春霞 教授/博导 c7娱乐app下载
田宗军 教授/博导 南京航空航天大学
徐晓美 教授/博导 南京林业大学
秘书：
王兴盛 副教授 c7娱乐app下载
答辩时间：2026年5月25日14:30
答辩地点：滨江校区c7官网登录入口appB441会议室
论文简介
农业机械中的触土部件、粉碎刀具等关键零部件长期面临大载荷、高磨损率以及强腐蚀的服役环境，磨损与腐蚀是此类零部件中常见的失效形式。频繁的失效会导致零部件更换周期缩短、作业效率降低，进而造成经济损失。因此，如何提升农机零部件的表面性能，成为农业装备设计与制造的重要课题之一。表面工程技术常被用于提高零部件表面的硬度、耐磨以及耐腐蚀等性能。其中，超声辅助脉冲电沉积技术具有工艺简单、成本低廉、涂层均匀且可控性强等优势，在制备高性能纳米复合涂层颇具发展和应用潜力。镍钴基纳米复合涂层拥有优秀的耐磨性和耐腐蚀性，可被用于提高极端工况条件下机械零件的使用寿命与可靠性。
针对农机关键部件在复杂工况下面临的磨损与腐蚀失效问题，本研究采用超声辅助脉冲电沉积技术制备了Ni–Co–P及Ni–Co–P/SiC–MoS2复合涂层，系统地探究了工艺参数优化与纳米颗粒掺杂改性对涂层结构与性能的影响规律，揭示了Ni–Co–P/SiC–MoS2涂层的耐磨损与耐腐蚀机理，并在梅花齿刃表面制备涂层并验证了其在工况条件下的保护效果。主要研究内容如下：
（1）揭示了工艺参数对超声辅助脉冲电沉积Ni–Co–P涂层组织结构与性能的影响规律。采用单因素试验法系统探究了电流密度、沉积温度、超声功率、搅拌速度、脉冲频率及占空比六个工艺参数对Ni–Co–P涂层表面形貌、物相组成、显微硬度、摩擦磨损行为、耐腐蚀性能的影响规律。研究表明，所有工艺参数条件下的涂层均为面心立方结构。工艺参数主要通过影响沉积过程中的沉积速率、离子传质效率以及阴极区离子浓度分布而影响晶核的形成与生长以及元素组成，从而对涂层的表面形貌、晶相结构及晶粒尺寸产生影响，进而导致涂层的显微硬度、耐磨损性能以及耐腐蚀性能发生改变。通过探究各工艺参数对涂层微观结构与宏观性能的影响规律，阐明了工艺参数—微观结构—宏观性能之间的内在关联，为后续多因素试验设计奠定了试验基础。
（2）优化了Ni–Co–P涂层制备的工艺参数。采用中心复合设计（CCD）方法建立了六因素三响应（显微硬度、磨损率、自腐蚀电流密度）的二次回归模型，进行了多目标工艺参数优化，揭示了工艺参数间的交互作用机制。方差分析表明电流密度、超声功率与占空比对三项性能指标均有极显著影响，且各因素间存在显著的交互效应。同时，基于梅花齿刃的“以磨损为主并伴随腐蚀”的实际工况，确立了磨损率>自腐蚀电流密度>显微硬度的优化权重，获得目标优化工艺参数：电流密度3.5 A?dm–2，沉积温度56℃，超声功率108 W，搅拌速度230 r?min–1，脉冲频率4 kHz，占空比78%。该条件下模型的预测性能为：显微硬度724.2 HV0.1、磨损率3.58 × 10–5 mm3·Nm–1、自腐蚀电流密度0.283 μA·cm–2。验证试验相对误差均小于3%，证明模型可靠。同时，为拓展涂层的普适性并提升其工程指导价值，本研究还将涂层制备在45钢、Q235及65Mn三种基材上并进行性能测试。结果表明，涂层性能稳定且基材对性能无显著影响，但结合力受基材影响显著（65Mn＞45钢＞Q235）。
（3）揭示了纳米颗粒掺杂及Ni–Co–P/SiC–MoS2复合涂层性能强化机理。在优化工艺参数基础上，系统探究了SiC纳米颗粒一元掺杂及SiC–MoS2纳米颗粒二元掺杂对涂层组织结构与综合性能的影响规律。SiC作为硬质增强相，最佳掺杂浓度为12 g·L–1，通过弥散强化作用，使涂层硬度提升、磨损率降低、耐蚀性改善。MoS2作为润滑相，最佳复合掺杂浓度为6 g·L–1，与SiC发挥协同强化作用：SiC提升硬度并减小摩擦副间的真实接触面积，MoS2层状结构形成润滑转移膜，使涂层摩擦系数降至0.422、磨损率较基础涂层降低65%至1.363 × 10–5 mm3·Nm–1。同时，MoS2的复合掺杂使涂层自腐蚀电流密度降至0.064 μA·cm–2。
（4）阐明了Ni–Co–P/SiC–MoS2复合涂层在3.5 wt.% NaCl溶液中的耐腐蚀性能与机理。通过浸泡试验系统评估了优化后复合涂层的耐腐蚀稳定性，揭示了其“双重屏障—动态平衡”的耐腐蚀机制。第一重屏障为MoS2掺杂降低了涂层的润湿性，延缓腐蚀介质浸润；第二重屏障为Ni、Co的氧化物与氢氧化物等不溶性物质形成的钝化膜，阻挡腐蚀介质的侵蚀。浸泡过程中，Cl–离子的持续攻击导致钝化膜局部溶解破裂，暴露的涂层区域再钝化形成新膜，使得耐腐蚀性获得短暂回升。在浸泡7天时涂层的电荷转移电阻达到最大值53100.6 Ω·cm2，表现出最佳的耐腐蚀性能；28天时电荷转移电阻回升至10815.1 Ω·cm2，验证了“破裂—再钝化”的动态平衡规律。
（5）完成了梅花齿刃表面复合涂层的制备，并验证了其在实际工况中的保护效果。将优化后的工艺参数应用于梅花齿刃的复杂形状表面制备了Ni–Co–P/SiC–MoS2涂层，并对比研究了复合涂层与未涂层刀片在实际工况的性能表现。结果表明：复合涂层失重量显著低于电泳漆与喷砂处理的刀片；在连续9 h测试后，涂层仍保持完整未磨穿，且在工况测试后没有出现明显的锈蚀痕迹，复合涂层的失重量相较于电泳漆以及喷砂处理的刀片分别下降了约47.36%和55.05%。涂层截面形貌显示刃尖处厚度略大，表面复杂形状零部件需针对性优化电场分布以保证厚度均匀性。
主要创新点如下：
（1）提出了一种采用超声辅助脉冲电沉积Ni–Co–P/SiC–MoS2复合涂层的制备方法
基于单因素试验与响应面法对Ni–Co–P涂层的工艺参数进行系统优化，揭示了各参数对涂层性能的影响规律及互相作用机制，实现了耐磨性、耐蚀性与显微硬度的多目标协同优化。在此基础上，向涂层中复合掺杂SiC与MoS2两种纳米颗粒，成功制备了兼具良好耐磨性与耐腐蚀性的Ni–Co–P/SiC–MoS2复合涂层。本研究中涂层制备采用了一种较为新颖的超声脉冲辅助电沉积法，更新了镀液配方，并给出了纳米颗粒的预处理方法以及掺杂浓度。
（2）揭示了SiC–MoS2纳米颗粒二元掺杂的协同强化机制以及复合涂层的磨损行为与机理
通过改变SiC和MoS2纳米颗粒的掺杂量，制备了性能较为优异Ni–Co–P/SiC–MoS2涂层，并阐明了SiC硬质相与MoS2润滑相的协同作用机制，即SiC通过弥散强化提升涂层硬度并减小摩擦副间的实际接触面积，MoS2通过形成润滑转移膜实现改善摩擦界面状态的效果，二者协同使涂层磨损率和摩擦系数降低。
（3）揭示了Ni–Co–P/SiC–MoS2涂层在3.5wt.% NaCl溶液中的腐蚀行为与机理
通过在3.5wt.% NaCl溶液中对Ni–Co–P/SiC–MoS2涂层进行浸泡试验，并在不同浸泡时长后进行表面化学分析以及电化学测试，系统地探究了涂层表面钝化膜成分演变规律以及相应的电化学行为，揭示了纳米颗粒二元掺杂涂层在腐蚀介质中的“双重屏障”耐蚀机制，阐明了浸泡过程中钝化膜“破裂—再钝化”的动态平衡机制，为设计长寿命耐蚀涂层提供了新思路。
