超聲輔助噴射電沉積Ni鍍層的表面形貌及硬度

譚 俊，吳 迪，高玉琳，鄒 渝，王遠(yuǎn)立

(1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072;2.裝甲兵工程學(xué)院科研部，北京100072;3.裝甲兵工程學(xué)院訓(xùn)練部，北京100072)

噴射電沉積是將含有高濃度金屬離子的電解液以高速射流的方式噴向陰極表面進(jìn)行電沉積的技術(shù)。噴射電沉積具有選擇性及沉積速度快的特點(diǎn)，對(duì)大型零部件實(shí)施局部電鍍，利于工件的基體精確成形?？捎糜谀p或損傷部位的修復(fù)以及盲孔、深孔內(nèi)的鍍覆［1］。近年來(lái)，對(duì)噴射電沉積的工藝、沉積層的組織與性能及沉積機(jī)理開展了大量的研究，制備出納米晶和納米復(fù)合沉積層［2－7］。

超聲波是頻率范圍在20～106 kHz的機(jī)械波。超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列效應(yīng)，其基本效應(yīng)有:波動(dòng)過程本身產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)，在媒質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和聲流。當(dāng)超聲波強(qiáng)度超過一定值時(shí)，就可以通過它與傳聲媒質(zhì)的相互作用，去影響、改變以至破壞后者的狀態(tài)、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)［8］。因此，將超聲與電化學(xué)方法相結(jié)合，可改善電沉積工藝，提高沉積層的性能。孫勇等［9］在電鑄工藝中引入超聲波，研究表明:超聲波可以提高電鑄速率和電流效率，使CeO2納米顆粒更加均勻地彌散于納米復(fù)合材料中。制備的納米復(fù)合材料的晶粒得到細(xì)化，其組織更加均勻致密、表面更平整，納米復(fù)合材料的顯微硬度明顯提高。楊培燕［10］研究了超聲波對(duì)化學(xué)鍍Ni-P鍍層的影響，結(jié)果表明:超聲波能有效地降低化學(xué)鍍層的孔隙率，提高鍍層的耐腐蝕性能。

本試驗(yàn)將噴射電沉積技術(shù)與超聲振動(dòng)相結(jié)合，在噴射電沉積裝置的基礎(chǔ)上加載超聲設(shè)備，通過超聲與非超聲環(huán)境的對(duì)比，研究了超聲波對(duì)噴射電沉積Ni鍍層表面形貌及硬度的影響規(guī)律及機(jī)理。

1 試驗(yàn)條件和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1為超聲輔助噴射電沉積裝置示意圖。試驗(yàn)中，超聲裝置與噴射裝置同時(shí)固定于數(shù)控平臺(tái)的斜體軸方向，試樣固定在數(shù)控平臺(tái)的水平方向，一端固定于數(shù)控平臺(tái)上，另一端懸空，同時(shí)依托數(shù)控平臺(tái)在水平方向作直線往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。超聲變幅桿前端壓住試樣懸空端，以保證試樣的高頻諧振。

圖1 超聲裝置示意圖

1.2 工藝參數(shù)

試驗(yàn)所用溶液配方如表1所示。該溶液呈深綠色，pH=4.0，質(zhì)量密度為 1.20 g/cm3。

試驗(yàn)工藝參數(shù)選擇如下。噴射電沉積參數(shù):電壓為 14 V，陰陽(yáng)極距離為 4 mm，噴嘴口徑為2.0 mm，噴嘴移動(dòng)速度為1 m/min;超聲裝置參數(shù):頻率為20 kHz，變幅桿運(yùn)動(dòng)速度為1 m/min。

表1 鎳基鍍液的主要成分和濃度

試驗(yàn)選擇分別在鍍液溫度為20℃和50℃條件下進(jìn)行。在常溫20℃條件下，無(wú)需對(duì)鍍液進(jìn)行加熱，因此此溫度下的研究具有重要意義。鍍液溫度升高時(shí)，有利于提高沉積效率，但當(dāng)溫度較高時(shí)，鍍液揮發(fā)速度快，不利于鍍層的形成，所以選擇50℃作為另一種試驗(yàn)溫度。

基體試樣材料為A3鋼，尺寸為85 mm ×30 mm。試樣表面前處理的工藝詳見文獻(xiàn)［2］。

1.3 分析方法

利用Quanta200型掃描電鏡(SEM)進(jìn)行鍍層表面形貌的對(duì)比觀察，包括鍍層表面粗糙度、孔隙率及晶粒團(tuán)的大小等。

采用HVS-1000顯微硬度計(jì)對(duì)鍍層的顯微硬度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試載荷為100 g，加載時(shí)間為15 s，取5次測(cè)試結(jié)果的平均值作為鍍層的顯微硬度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 鍍層表面形貌

加載和未加載超聲波時(shí)，噴射電沉積Ni鍍層的表面形貌見圖2。圖2(a)和圖2(b)分別為鍍液溫度為20℃時(shí)無(wú)超聲波加載和超聲波加載下的Ni鍍層表面相貌。對(duì)比發(fā)現(xiàn):無(wú)超聲加載條件的Ni鍍層表面平整、無(wú)孔隙，但出現(xiàn)了明顯的裂紋;加載超聲波之后，鍍層表面呈土丘狀形貌，無(wú)孔隙，且沒有裂紋。這意味著加載超聲波對(duì)避免常溫施鍍中裂紋的產(chǎn)生具有重要意義。圖2(c)和圖2(d)分別為鍍液溫度為50℃時(shí)無(wú)超聲波加載和超聲波加載下Ni鍍層的表面相貌。對(duì)比發(fā)現(xiàn):無(wú)超聲波加載條件的Ni鍍層表面呈現(xiàn)出典型的土丘狀形貌特征，同時(shí)鍍層無(wú)孔隙和裂紋;在超聲波加載條件下，鍍層的土丘變得較為平整。

2.2 鍍層顯微硬度

圖2 加載與未加載超聲噴射電沉積Ni鍍層的表面形貌

圖3為噴射電沉積Ni鍍層的顯微硬度?？梢姡虞d超聲波后，鍍層的硬度均有所提高。在鍍液溫度為20℃時(shí)，超聲波加載后Ni鍍層的顯微硬度從535 HV上升到583 HV，提高了8.9%;鍍液溫度為50℃時(shí)，超聲波加載后 Ni鍍層的顯微硬度從374 HV上升到474 HV，提高了26.7%。由此可以看出:當(dāng)鍍液溫度較高時(shí)，超聲波對(duì)鍍層硬度的提高影響更為顯著。

圖3 加載與未加載超聲噴射電沉積Ni鍍層的顯微硬度

3 分析及討論

3.1 超聲對(duì)鍍層組織的影響

在鍍液溫度為20℃時(shí)，噴射電沉積層表面出現(xiàn)了明顯的裂紋，裂紋產(chǎn)生的原因主要是由于鍍液溫度較低，鍍層內(nèi)應(yīng)力過大。同時(shí)，溫度較低時(shí)，鍍層的析氫［11］現(xiàn)象明顯，也會(huì)促使鍍層裂紋產(chǎn)生。當(dāng)加載超聲波之后，鍍層沒有產(chǎn)生裂紋，鍍層裂紋消失的原因主要在于超聲空化作用。超聲空化是指在超聲作用下，存在于鍍液中的微小氣泡(空穴)所發(fā)生的一系列動(dòng)力學(xué)過程:振蕩、擴(kuò)大、收縮乃至崩潰。這個(gè)過程基本消除了Ni鍍層沉積中的析氫現(xiàn)象。同時(shí)，由于超聲空化作用對(duì)基體表面具有活化作用［10］，使得基體表面的催化活性提高，增加了反應(yīng)體系中的活性自由基，從而使沉積層與基體的結(jié)合力增強(qiáng)。

在鍍液溫度為50℃時(shí)，無(wú)超聲加載條件的Ni鍍層表面呈現(xiàn)出典型的土豆?fàn)顔卧w形貌特征，這主要是沉積過程中晶粒的團(tuán)聚所造成的。在超聲加載條件下，鍍層的晶粒團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減弱。主要原因在于超聲空化釋放出巨大的能量［12］對(duì)鍍層中晶粒的團(tuán)聚具有剪切的作用。因此，超聲波加載后制備出的Ni鍍層表面失去了原有明顯的團(tuán)聚特征。

3.2 超聲對(duì)鍍層性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明:超聲加載后提高了鍍層的硬度，其原因也在于超聲空化的作用。一是在電沉積成核期，在超聲作用下，局部的高能量加大了單位體積的能量起伏，使成核能大大增加，從而使體系的亞晶核容易達(dá)到所需要的成核能，成核幾率增大［10］;在晶核的生長(zhǎng)期，超聲空化可消除電解液的微局部濃度不均，有效控制晶核的長(zhǎng)大［13］，使鍍層組織得到細(xì)化，從而產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化。另一方面。在超聲空化過程中，微氣泡崩潰產(chǎn)生了強(qiáng)大的沖擊壓力，可以使晶粒產(chǎn)生滑移，發(fā)生塑性變形，從而產(chǎn)生加工硬化［14－17］，使鍍層硬度得以提高。

4 結(jié)論

本文采用超聲波輔助噴射電沉積試驗(yàn)平臺(tái)，研究了超聲波對(duì)噴射電沉積Ni鍍層的組織及硬度的影響，可得出如下結(jié)論。

1)超聲波的加載，可細(xì)化鍍層的組織，避免鍍層裂紋的產(chǎn)生，并提高鍍層的硬度。

2)超聲空化作用是改善鍍層表面形貌的關(guān)鍵因素。超聲空化不僅有助于減少施鍍過程中的析氫現(xiàn)象，避免鍍層裂紋的產(chǎn)生;同時(shí)減小鍍層中的晶粒團(tuán)聚，使得鍍層表面平整。

3)超聲波加載之后，鍍層的顯微硬度提高。其原因歸結(jié)于2個(gè)方面:一是超聲空化所引起的鍍層細(xì)晶強(qiáng)化;二是超聲空化所產(chǎn)生的沖擊力與微射流使鍍層產(chǎn)生的加工硬化。

由于試驗(yàn)條件有限，還有許多工作需要進(jìn)一步研究，如超聲功率與頻率對(duì)噴射電沉積的影響等。通過進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備，優(yōu)化工藝，實(shí)現(xiàn)超聲波與噴射電沉積技術(shù)的有效結(jié)合，將為制備特殊性能的涂層材料提供新的途徑。超聲輔助噴射電沉積有望成為提高小尺寸零件再制造成形質(zhì)量的新技術(shù)。

［1］王少龍，龍晉明，李愛蓮，等.噴射電沉積技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.電鍍與環(huán)保，2003，23(3):4－7.

［2］譚俊，高玉琳，錢耀川，等.工作電壓對(duì)噴射電沉積Ni鍍層形貌及性能的影響［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23(6):80－83.

［3］姜立萍，張建榮，王駿，等.噴射電沉積枝晶生長(zhǎng)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究［J］.電鍍與精飾，2009，31(9):1－4.

［4］陳勁松.黃因慧，田宗軍，等.噴射電沉積Ni-Al2O3納米復(fù)合鍍層的組織及性能［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，28(6):912－915.

［5］劉潤(rùn)，宮凱.噴射電沉積納米晶鎳機(jī)理及工藝研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29(8):997－1101.

［6］江山，王世建，康廣生，等.噴射電鍍納米晶鎳工藝研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010(31):40.

［7］陳勁松，黃因慧，田宗軍，等.噴射電沉積電場(chǎng)強(qiáng)度的仿真研究［J］.電鍍與環(huán)保，2009，29(5):5－8.

［8］傅欣欣，劉常升，吳蒙華，等.功率超聲在納米復(fù)合電沉積中的應(yīng)用［J］.新技術(shù)新工藝，2004(7):42－44.

［9］孫勇，薛玉君，李濟(jì)順，等.超聲電鑄鎳氧化鈰納米復(fù)合材料的研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2007，26(4):487－490.

［10］楊培燕，宮麗，顧寶珊，等.超聲波化學(xué)鍍Ni-P鍍層的性能研究［J］.材料保護(hù)，2008，41(8):46－48.

［11］王幫峰，黃因慧，余承業(yè).選擇性射流電鑄技術(shù)初探［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002，21(2):263－265.

［12］程敬泉，姚素薇.超聲波在電化學(xué)中的應(yīng)用［J］.電鍍與精飾，2005，27(1):16－19.

［13］明平美，朱荻，胡洋洋，等.超聲微細(xì)電鑄試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2008，19(6):644－647.

［14］王秀芝，于愛民.超聲波對(duì)鎳鍍層硬度的影響［J］.電鍍與精飾，2007，29(3):18－20.

［15］Neppiras E A.Acoustic Cavitation Series:Part one，Acoustic cavitation:an Introduction［J］.Ultrasonics，1984，22:25 －28.

［16］Madanshetty S I，Apfel R E.Microcavitation:Enhancement and Applications［J］.J Acoust Soc Am，1991，90(3):1508－1514.

［17］屠振密，李寧，胡會(huì)利，等.電沉積納米晶材料技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008:26－27.