مواد پیشرفته در مهندسی

مواد پیشرفته در مهندسی

تأثیر شکل موج الکتریکی بر ریزساختار و مورفولوژی سطح پوشش‌های آلیاژی نیکل- تنگستن (Ni-W) ایجادشده به روش رسوب‌نشانی الکتریکی

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
ابوالفضل باباخانی
حامد سلیمانی
سید عبدالکریم سجادی
قاسم براتی دربند
گروه مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
چکیده
مقدمه و اهداف: در این پژوهش، اثر شکل موج جریان الکتریکی (مستقیم، پالسی و پالسی معکوس) بر ریزساختار، ترکیب شیمیایی، تشکیل ترک و رفتار خوردگی پوشش‌های آلیاژی نیکل- تنگستن حاصل از رسوب‌نشانی الکتریکی در حمام اسیدی فاقد افزودنی، بررسی شد.
مواد و روش‌ها: پوشش‌ها روی زیرلایه فولاد ساده کربنی، در دانسیته جریان ثابت با اعمال جریان مستقیم، پالسی و پالس معکوس تهیه شدند. ریزساختار و مورفولوژی سطح به همراه تصویربرداری مقطعی با FESEM بررسی و چگالی ترک با تحلیل تصویری، ترکیب شیمیایی با EDS، ساختار فازی و پارامتر شبکه با XRD و رفتار خوردگی با آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک در محلول 3/5 درصد وزنی NaCl ارزیابی شد.
یافته‌ها: پوشش ایجادشده با جریان مستقیم، بیشترین مقدار تنگستن، چگالی ترک و بالاترین دانسیته جریان خوردگی را نشان داد. پوشش‌های پالسی چگالی ترک کمتر و دانسیته جریان خوردگی پایین‌تری داشتند. نمونه پوشش جریان پالس معکوس، باوجود کمترین مقدار تنگستن، در محدوده موردبررسی عاری از ترک بوده و کمترین دانسیته جریان خوردگی را از خود نشان داد. ارتباط میان‌چگالی ترک و دانسیته جریان خوردگی نشان می‌دهد که یکپارچگی ساختاری، عامل غالب کنترل رفتار خوردگی این پوشش‌ها است. نتایج XRD، تشکیل فاز محلول جامد نیکل- تنگستن و تنش پسماند به‌مراتب بالاتر را در نمونه ایجادشده با روش جریان مستقیم نسبت به سایر نمونه‌ها را تأیید کرد.
نتیجه‌گیری: مهندسی شکل موج جریان، به‌ویژه استفاده از جریان پالسی معکوس، بدون نیاز به افزودنی شیمیایی کاهنده تنش، ابزاری مؤثر برای دستیابی هم‌زمان به ریزساختار یکنواخت، سطح عاری از ترک و مقاومت به خوردگی در پوشش‌های Ni-W است.
کلیدواژه‌ها
رسوب‌نشانی الکتریکی
پوشش آلیاژی نیکل- تنگستن
جریان پالسی معکوس
چگالی ترک سطحی
مقاومت به خوردگی
تنش پسماند
موضوعات

عنوان مقاله English

Influence of Current Waveform on the Microstructure and Surface Morphology of Electrodeposited Nickel-Tungsten Alloy Coating

نویسندگان English

Abolfazl Babakhani
Hamed Soleymani
Seyed Abdolkarim Sajjadi
Ghasem Barati Darband
Materials Science and Engineering Group, Faculty of Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
چکیده English

Introduction and Objectives: In this study, the effect of electrical current waveform (direct, pulse, and pulse reverse) on the microstructure, chemical composition, crack formation, and corrosion behavior of (Ni-W) alloy coatings obtained by electrodeposition from an additive-free acidic bath was investigated.
Materials and Methods: Coatings were deposited on plain carbon steel substrates at a constant current density using direct current, pulse current and pulse reverse current modes. Surface morphology and cross-sectional microstructure were examined by FESEM, crack density was quantified through digital image analysis, chemical composition was determined by EDS, phase structure and lattice parameter were analyzed by XRD, and corrosion behavior was evaluated by potentiodynamic polarization testing in 3.5 wt.% NaCl solution.
Results: The direct current coating exhibited the highest tungsten content but also the highest crack density and the highest corrosion current density. The pulsed coatings showed lower crack densities and lower corrosion current densities. In the pulse reverse coating, despite having the lowest tungsten content, no detectable surface cracks were observed in the examined regions and exhibited the lowest corrosion current density. A correlation was observed between crack density and corrosion current density, indicating that structural integrity, is the dominant factor governing the corrosion behavior of these coatings. XRD results confirmed the formation of a single-phase Ni-W solid solution and a markedly higher residual stress in the direct current coating compared to the other coatings.
Conclusion: Current waveform engineering, particularly the use of pulse reverse current, is an effective strategy-without the need any stress-reducing chemical additives-for simultaneously achieving a uniform microstructure, a crack-free surface, and corrosion resistance in Ni-W alloy coatings.

کلیدواژه‌ها English

Electrodeposition, Nickel&ndash
tungsten alloy coating, Pulse reverse current, Surface crack density, Corrosion resistance, Residual stress
1. Allahdadi A, Rastegari S, Jalalian Karazmoudeh N. The influence of pulse plating parameters on the structure and corrosion behavior of Ni-W-TiC nanocomposite coatings. J Mater Eng Perform. 2025;34(7):6253-64. https://doi.org/10.1007/s11665-024-09562-9
2. Allahyarzadeh MH, Aliofkhazraei M, Rezvanian AR, Torabinejad V, Sabour Rouhaghdam AR. Ni-W electrodeposited coatings: characterization, properties and applications. Surf Coat Technol. 2016;307:978-1010. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.09.052
3. Allahyarzadeh MH, Aliofkhazraei M, Rouhaghdam ARS, Torabinejad V. Electrodeposition of Ni–W–Al2O3 nanocomposite coating with functionally graded microstructure. J Alloys Compd. 2016;666:217-26. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.01.031
4. Mahalingam DK, Bera P. Characterization and microhardness of Ni−W−P coatings electrodeposited with gluconate bath. Surf Interfaces 2021;22:100769. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2020.100769
5. Rupert TJ, Schuh CA. Sliding wear of nanocrystalline Ni–W: Structural evolution and the apparent breakdown of Archard scaling. Acta Mater. 2010;58(12):4137-48. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.04.005
6. Wasekar NP, Hebalkar N, Jyothirmayi A, Lavakumar B, Ramakrishna M, Sundararajan G. Influence of pulse parameters on the mechanical properties and electrochemical corrosion behavior of electrodeposited Ni-W alloy coatings with high tungsten content. Corros Sci. 2020;165:108409. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.108409
7. Chianpairot A, Lothongkum G, Schuh CA, Boonyongmaneerat Y. Corrosion of nanocrystalline Ni–W alloys in alkaline and acidic 3.5wt.% NaCl solutions. Corros Sci. 2011;53(3):1066-71. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2010.12.001
8. Saeidpour F. Effect of pulse electroplating parameters on the deposition of reinforcing particles in Ni-W/CeO2 composite coating. J Adv Mater Eng. 2022;41(3):63-77 (In Persian). https://doi.org/10.47176/jame.41.3.1004
9. Portela DG, Porto MB, de Almeida Neto AF. Parameters variation on Ni–Co–W coating electroplating to evaluate improvements in morphology and corrosion resistance. Journal of the J Braz Soc Mech Sci. Eng.2019;41(12):574. https://doi.org/10.1007/s40430-019-2081-4
10. Anne BR, Shaik S, Basu A, Ramakrishna R VSM. Review on electrodeposited Ni–W based composite coatings in high-temperature applications concerning oxidation behavior. Met Mater Int. 2024;30(6):1441-58. https://doi.org/10.1007/s12540-023-01609-1
11. Baldessin C, Nepel T, Neto A. The influence of Ni and Co concentration in the electroplating bath on Ni-Co-W alloys properties. Can. J Chem Eng. 2017;96. https://doi.org/10.1002/cjce.23076
12. Portela D, Nepel T, Martins Costa J, Neto A. Two-stages electrodeposition for the synthesis of anticorrosive Ni-W-Co coating from a deactivated nickel bath. Mater Sci Eng B 2020;260:114611. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2020.114611
13. Chen Y-H, Huang S-J, Booncam J, Liang J-T, Lin H-E. Influence of pulse parameters on microstructure and corrosion characteristics of electrodeposited Ni-W alloy coating. Mater Today Commun. 2024;38:108486. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.108486
14. Mizushima I, Tang P, Hansen H, Somers M. Residual stress in Ni–W electrodeposits. Electrochim Acta 2006;51:6128-34. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.11.053
15. Eliaz N, Sridhar TM, Gileadi E. Synthesis and characterization of nickel tungsten alloys by electrodeposition. Electrochim Acta 2005;50(14):2893-904. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2004.11.038
16. da Silva CRP, Costa JD, de Almeida AF, de Santana RAC, Campos ARN, Alves JJN, et al. Chemical composition variation of the Ni–W alloy as a function of parameters used in the electrodeposition process. J Appl Electrochem. 2024;54(3):611-23. https://doi.org/10.1007/s10800-023-01992-y
17. Vamsi MVN, Wasekar NP, Sundararajan G. Influence of heat treatment on microstructure and mechanical properties of pulse electrodeposited Ni-W alloy coatings. Surf Coat Technol. 2017;319:403-14. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.03.074
18. Omar N, Köster F, Hahn F, Bund A. Residual stress of annealed electroless and electrodeposited nickel phosphorous layers incorporated with amorphous boron particles. J Mater Sci Eng. 2025;20(1):40. https://doi.org/10.1186/s40712-025-00250-7
19. Brenner A. Variation in the composition of electrodeposited alloys with the composition of the bath. In: Electrodeposition of alloys: principles and practice. Vol. 1. New York: Academic Press; 1963. p. 75–121.
20. Brenner A. Some theoretical aspects of complexing agents and addition agents in alloy plating. In: Electrodeposition of alloys: principles and practice. Vol. 1. New York: Academic Press; 1963. p. 388–408.
21. Podlaha E, Landolt D. Induced codeposition: I. An experimental investigation of Ni-Mo alloys. J Electrochem Soc. 1996;143(3):885–92. https://doi.org/10.1149/1.1836553
22. Alimadadi H, Ahmadi M, Aliofkhazraei M, Younesi SR. Corrosion properties of electrodeposited nanocrystalline and amorphous patterned Ni–W alloy. Mater Des. 2009;30(4):1356-61. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2008.06.036
23. Chandrasekar MS, Pushpavanam M. Pulse and pulse reverse plating—Conceptual, advantages and applications. Electrochim Acta 2008;53(8):3313. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.11.054
24. Shreeram DD, Li S, Bedekar V, Cong H, Doll GL. Effect of reverse pulse time on electrodeposited Ni-W coatings. Surf Coat Technol. 2017;325:386-96. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.06.037
25. Bathini L, Prasad MJNV, Wasekar NP. Development of continuous compositional gradient Ni-W coatings utilizing electrodeposition for superior wear resistance under sliding contact. Surf Coat Technol. 2022;445:128728. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128728
26. Lee S, Choi M, Park S, Jung H, Yoo B. Mechanical properties of electrodeposited Ni-W thin films with alternate W-rich and W-poor multilayers. Electrochim Acta 2015;153:225-31. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.11.190
27.  Armstrong RD, Edmondson K, Firman RE. The anodic dissolution of tungsten in alkaline solution. J Electroanal Chem Interfacial Electrochem. 1972;40(1):19-28. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(72)80122-0
28. Dean JA, editor. Lange's handbook of chemistry. 15th ed. New York: McGraw-Hill; 1992.
29. Sriraman KR, Ganesh Sundara Raman S, Seshadri SK. Corrosion behaviour of electrodeposited nanocrystalline Ni–W and Ni–Fe–W alloys. Mater Sci Eng A 2007;460-461:39-45. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.02.055
30. Farzaneh MA, Zamanzad-Ghavidel MR, Raeissi K, Golozar MA, Saatchi A, Kabi S. Effects of Co and W alloying elements on the electrodeposition aspects and properties of nanocrystalline Ni alloy coatings. Appl Surf Sci. 2011;257(13):5919-26. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.02.008
 
 
مواد پیشرفته در مهندسی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 13 مهر 1405

تحت نظارت وف بومی