超聲波在復(fù)合電沉積技術(shù)中的應(yīng)用

楊自雙，譚華，譚業(yè)發(fā)*，張中威，董貴楊

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

1 前言

隨著現(xiàn)在工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)材料的表面性能提出了更高的要求，傳統(tǒng)的合金鍍層已無法滿足。復(fù)合電沉積作為材料表面改性的一種工藝，其所得鍍層與許多單金屬鍍層及合金鍍層相比，具有更高的硬度，更好的耐磨性、耐蝕性和抗高溫氧化性，以及一些特殊的性能(如光電轉(zhuǎn)化功能、催化功能、生物性能等)，在機(jī)械、電子、汽車、航空航天、生物技術(shù)等領(lǐng)域顯示出了極大的應(yīng)用潛力[1-4]。所謂復(fù)合電沉積(或復(fù)合電鍍)，就是在電鍍?nèi)芤褐屑尤氩蝗苄缘墓腆w微粒，使其與主體金屬共沉積在基材上的鍍覆工藝，所得到的鍍層稱為復(fù)合鍍層[5]。

近年來，隨著超聲設(shè)備的普及和聲化學(xué)反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用，超聲波在電沉積領(lǐng)域[6]，尤其是在復(fù)合電沉積方面的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。超聲波引起的空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等對(duì)復(fù)合鍍層的微觀組織結(jié)構(gòu)、微粒含量、硬度、耐磨性和耐蝕性等性能產(chǎn)生了一定的影響。本文闡述了超聲波的理化效應(yīng)及其在復(fù)合電沉積中的作用，論述了超聲波對(duì)復(fù)合鍍層的組織結(jié)構(gòu)和性能的影響，指出了超聲波在復(fù)合電沉積技術(shù)的應(yīng)用中仍存在的問題，并展望了其應(yīng)用前景。

2 超聲波的理化效應(yīng)

通常把頻率大于20 000 Hz的聲波稱為超聲波，它是一種物理能量形式。超聲波頻率高、波長(zhǎng)短、能量集中，傳播方向性好、穿透能力強(qiáng)。當(dāng)超聲波作用于液體介質(zhì)時(shí)，疏密相間地向前傳播，液體中的微氣泡在聲場(chǎng)作用下振動(dòng)，當(dāng)超聲波能量足夠高時(shí)，微氣泡在超聲波縱向傳播形成的負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生、生長(zhǎng)，而在正壓區(qū)又迅速崩潰閉合。這就是超聲空化效應(yīng)[6]。崩潰瞬間在氣泡及其周圍微小空間內(nèi)出現(xiàn)“熱點(diǎn)”，形成高溫高壓區(qū)，溫度達(dá)5 000 K以上，壓力達(dá)50.7 MPa以上，溫度的變化率達(dá)109 K/s，并伴有強(qiáng)大的沖擊波和時(shí)速達(dá)400 km的微射流以及放電發(fā)光過程。這就為發(fā)生一些特殊的化學(xué)反應(yīng)提供了物理環(huán)境[7]。

另外，超聲波入射于 2種不同聲阻抗的介質(zhì)界面時(shí)，動(dòng)量發(fā)生變化，產(chǎn)生輻射壓力，對(duì)介質(zhì)粒子可產(chǎn)生撕裂并引起聲流，引起介質(zhì)粒子的移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，即聲流效應(yīng)；超聲在傳播過程中，會(huì)引起介質(zhì)的交替壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，引起機(jī)械效應(yīng)；超聲波入射物質(zhì)后，部分能量被物質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變成熱能，使物質(zhì)溫度升高，即超聲波熱效應(yīng)；超聲波可以使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)處于振動(dòng)狀態(tài)，從而增強(qiáng)液態(tài)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，加速質(zhì)點(diǎn)傳遞作用，即超聲傳質(zhì)效應(yīng)[8]。

超聲波作用于復(fù)合電沉積過程時(shí)，沖擊波和微射流對(duì)微粒和電極表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊作用，可粉碎團(tuán)聚的微粒，清除吸附在微粒和電極表面的氣體和雜質(zhì)，促進(jìn)微粒分散均勻，增大基體金屬結(jié)晶形核速率；超聲波的聲流效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)和傳質(zhì)效應(yīng)等對(duì)鍍液產(chǎn)生了劇烈的攪拌作用，加強(qiáng)了離子的傳輸和微粒的傳送，促使氣體從鍍液中析出，促進(jìn)微粒分布進(jìn)一步均勻化。

3 超聲波在復(fù)合電沉積中的作用

3. 1 促進(jìn)共沉積過程

超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波和微射流，可以清洗掉吸附在電極和微粒表面的氣體和雜質(zhì)：一方面使電極表面得到連續(xù)的活化，從而加速氧化-還原反應(yīng)的進(jìn)行，并且能防止陰極和陽極鈍化，提高鍍層的結(jié)合力[9]；另一方面還可以改善微粒與鍍液的濕潤(rùn)條件，使其更容易吸附離子或帶電的表面活性劑分子，從而促進(jìn)微粒與金屬共沉積[10]。另外，超聲波的攪拌作用加強(qiáng)了離子的傳輸，減小了陰極擴(kuò)散層厚度，降低了濃差極化，從而提高了電沉積速率；還可以促使微粒向陰極表面輸送，從而增大微粒被嵌入鍍層的幾率[11]。

Rezrazi等[12]采用超聲波攪拌方式和電沉積法制備了Au-PTFE復(fù)合鍍層。其研究表明，與機(jī)械攪拌相比，超聲波攪拌可明顯提高鍍層的電沉積速率和PTFE微粒含量。王霞等[13]研究表明，超聲情況下Ni-CeO2復(fù)合鍍層的沉積速率(37.1 μm/h)比無超聲時(shí)(33.4 μm/h)大，并且鍍層組織細(xì)致，晶粒細(xì)小，無明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。

3. 2 改善鍍層質(zhì)量

電沉積過程中會(huì)伴有氫氣的產(chǎn)生，氫氣常常吸附在陰極或微粒表面，一方面會(huì)阻礙微粒在陰極的黏附，造成鍍層中微粒含量的減少；另一方面會(huì)使鍍層產(chǎn)生孔隙和氫脆現(xiàn)象，并會(huì)增大鍍層的內(nèi)應(yīng)力。在復(fù)合電沉積過程中，超聲空化產(chǎn)生的沖擊波和微射流不斷沖刷陰極和微粒表面，驅(qū)除氫氣，從而大大降低了因析氫對(duì)鍍層產(chǎn)生的不利影響[14]。另外，超聲波的引入可使鍍層基質(zhì)金屬晶粒組織得到進(jìn)一步細(xì)化[15]。因?yàn)榭栈吐暳鞯臋C(jī)械力可打斷晶粒的生長(zhǎng)進(jìn)程，使較粗的晶粒破碎成更小的晶核，引起“形核增殖”。同時(shí)，空化產(chǎn)生的高壓造成瞬時(shí)局部過冷，減小了臨界晶核半徑，從而提高了形核率。當(dāng)形核速率超過晶粒長(zhǎng)大速率時(shí)，晶粒就得到了細(xì)化。

王裕超等[16]利用電沉積法在超聲波攪拌條件下獲得了表面光滑、CNTs微粒均勻分布、CNTs與基體Cu結(jié)合良好的Cu-CNTs復(fù)合鍍層。常立民等[17]采用超聲波-電沉積方法制備了Ni-Al2O3納米復(fù)合鍍層，發(fā)現(xiàn)超聲波可以使鍍層的組織結(jié)構(gòu)變得平整、致密，降低鍍層表面的孔隙率。

3. 3 攪拌分散作用

當(dāng)超聲波作用于鍍液時(shí)，其產(chǎn)生的空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和傳質(zhì)效應(yīng)會(huì)使微粒在鍍液中懸浮并均勻分布，空化效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波和微射流可粉碎團(tuán)聚的微粒，使微粒分布進(jìn)一步均勻化，從而促進(jìn)微粒與金屬共沉積，并在鍍層中均勻分布。

Kuo等[18]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在無超聲波情況下，納米Al2O3微粒(80 nm)在氨基磺酸鹽鍍鎳液中會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，形成平均直徑為1 109 nm的團(tuán)聚體。通過對(duì)鍍鎳液施加40 min、5 W/L的超聲波作用，團(tuán)聚體直徑降到178 nm。黃新民等[19]研究了機(jī)械攪拌、空氣攪拌、超聲波分散和添加表面活性劑的化學(xué)分散等分散方式對(duì)復(fù)合鍍層中SiO2納米微粒(20 ～ 50 nm)的分散作用，結(jié)果表明，超聲波分散方法的團(tuán)聚體粒徑最小(20 ～120 nm)，表面活性劑分散的粒子團(tuán)聚體粒徑最大(360 ～ 420 nm)。

4 超聲波對(duì)復(fù)合鍍層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響

4. 1 超聲波對(duì)復(fù)合鍍層微觀組織結(jié)構(gòu)的影響

超聲波作用于復(fù)合電沉積過程時(shí)，會(huì)引起形核增殖以及提高形核率，從而對(duì)金屬電結(jié)晶晶粒起到細(xì)化作用；超聲空化會(huì)打斷晶粒生長(zhǎng)過程，從而影響鍍層結(jié)晶織構(gòu)。

薛玉君等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在超聲作用下制備的 Ni-CeO2納米復(fù)合鍍層與無超聲作用下制備的復(fù)合鍍層相比，晶粒尺寸明顯減小，組織更趨致密。這主要有兩方面原因：一方面，是超聲波自身對(duì)金屬電結(jié)晶晶粒的細(xì)化作用；另一方面，是超聲波能夠進(jìn)一步增強(qiáng)納米微粒的細(xì)化作用。

Thomas等[21]研究了Ni-TiO2納米復(fù)合鍍層，在電沉積過程中引入超聲波，使納米微粒在瓦特鍍液中形成良好的分散，并運(yùn)用電子背散射衍射儀(EBSD)、X射線衍射儀(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)鍍層結(jié)晶形貌、平均粒徑和織構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，超聲波細(xì)化了典型的柱狀結(jié)構(gòu)的純鎳鍍層，使純鎳鍍層結(jié)晶織構(gòu)從(211)轉(zhuǎn)變?yōu)?110)；在與納米微粒共沉積時(shí)，超聲波使柱狀鎳結(jié)晶的織構(gòu)從(100)轉(zhuǎn)變?yōu)?111)。

為了研究超聲波對(duì)納米 Ni-TiN復(fù)合鍍層組織結(jié)構(gòu)的影響，夏法鋒等[22]分別對(duì)采用機(jī)械攪拌和超聲波攪拌制備的Ni-TiN納米復(fù)合鍍層進(jìn)行顯微組織觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用機(jī)械攪拌的復(fù)合鍍層中TiN微粒和鎳晶的平均直徑在50 ～ 150 nm之間，而采用超聲波攪拌的復(fù)合鍍層中TiN微粒和鎳晶的平均直徑在30 ～ 60 nm之間。通過對(duì)2種鍍層的X射線衍射圖譜分析可知，在超聲-電沉積的過程中，鎳晶粒發(fā)生了細(xì)化，取向也由擇優(yōu)取向趨為隨機(jī)取向。夏法鋒認(rèn)為細(xì)化的機(jī)理在于，超聲波的機(jī)械剪切作用可使較大晶粒破碎，超聲空化作用打斷了正常發(fā)育的晶粒，使之成為新的更小的晶核，引起形核增殖；空化產(chǎn)生的高壓造成瞬時(shí)局部過冷，減小了臨界晶核半徑，從而提高了形核率。另外，在超聲作用下，納米TiN微粒均勻分散到鍍層中，為鎳的結(jié)晶增加了大量晶核點(diǎn)，抑制了鎳晶粒的生長(zhǎng)，提高了形核速率。當(dāng)形核速率超過晶粒生長(zhǎng)速率時(shí)，晶粒就得到了細(xì)化。而超聲空化對(duì)晶粒生長(zhǎng)過程的打斷，也使其生長(zhǎng)方向由擇優(yōu)取向趨于隨機(jī)取向。

4. 2 超聲波對(duì)復(fù)合鍍層微粒含量的影響

Zheng[23]和夏法鋒[22]研究了超聲波對(duì)復(fù)合鍍層納米微粒含量的影響。Zheng研究發(fā)現(xiàn)，隨著超聲波功率從0 W/cm2增加到0.9 W/cm2，復(fù)合鍍層Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從4.5%升到11.2%，繼續(xù)增加超聲波功率到1.2 W/cm2，Al2O3含量則下降到8.2%。Zheng認(rèn)為，隨著超聲波功率的提高，超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)和微射流使 Al2O3團(tuán)聚現(xiàn)象逐漸消失，同時(shí)促使納米Al2O3微粒移向陰極表面，從而使鍍層中Al2O3含量提高；當(dāng)超聲波功率過大時(shí)，微射流使納米Al2O3微粒脫離陰極表面重新進(jìn)入鍍液，從而導(dǎo)致鍍層中Al2O3含量下降。夏法鋒制備了Ni-TiN納米復(fù)合鍍層，結(jié)果表明，在超聲波功率為200 W時(shí)，鍍層中TiN含量達(dá)到最大值9.9%，而功率為300 W時(shí)，TiN含量下降到9.04%。這是因?yàn)槌暱栈?yīng)清洗掉原本附著在納米微粒表面的氣體和雜質(zhì)，改善了微粒與溶液之間的潤(rùn)濕條件；同時(shí)也使微粒更易吸附活性劑分子，促進(jìn)了微粒與金屬離子的共沉積。而超聲波功率較大(300 W)時(shí)，對(duì)鍍液產(chǎn)生過度攪拌作用，一方面使得納米TiN微粒激烈碰撞，引起納米微粒的重新團(tuán)聚；另一方面使得弱吸附在電極表面的納米TiN微粒被再度沖刷到鍍液中，影響納米TiN微粒的定向沉積，造成鍍層中納米TiN微粒的含量減少。

李雪松等[24]研究了分散方式對(duì)復(fù)合鍍層中納米微粒含量的影響，發(fā)現(xiàn)在超聲波分散加慢速機(jī)械攪拌條件下，復(fù)合鍍層中Si3N4納米微粒含量比采用其他分散方式高得多。其原因可能是超聲波使懸浮在鍍液中的Si3N4微粒的分布更均勻，減少了團(tuán)聚現(xiàn)象。而單純機(jī)械攪拌和超聲波分散達(dá)不到這樣的效果。

但是，也有人研究發(fā)現(xiàn)超聲波會(huì)導(dǎo)致復(fù)合鍍層的微粒含量下降。Lajevardi等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在電流為2 ～8 A/dm2范圍內(nèi)，與機(jī)械攪拌相比，采用超聲波加機(jī)械攪拌制備的Ni-TiO2復(fù)合鍍層中的TiO2含量均下降。他們認(rèn)為，這是因?yàn)槌暡ㄗ饔檬惯\(yùn)動(dòng)的納米微粒不能牢固地吸附于陰極表面。

由此可知，超聲波對(duì)復(fù)合鍍層中微粒含量有兩方面的影響。超聲波對(duì)微粒，尤其是納米微粒有很好的分散作用，而且還可改善微粒與溶液之間的潤(rùn)濕條件，使之更易吸附活性劑分子而帶電；適當(dāng)功率的超聲波還可以促使微粒向陰極移動(dòng)。這三個(gè)因素均有利于鍍層微粒含量的提升。但是，當(dāng)超聲波功率過大時(shí)，空化效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波和微射流會(huì)使鍍液中微粒劇烈碰撞，團(tuán)聚現(xiàn)象重新出現(xiàn)，還可能使已吸附在陰極表面的微粒重新進(jìn)入鍍液，從而導(dǎo)致鍍層微粒含量下降。

4. 3 超聲波對(duì)復(fù)合鍍層硬度的影響

超聲波可抑制微粒在鍍液中的團(tuán)聚，使之分散均勻，促進(jìn)微粒與金屬共沉積，還可以細(xì)化鍍層晶粒，從而增強(qiáng)微粒對(duì)鍍層的彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，使鍍層硬度得到提高。

Chang等[26]采用超聲-脈沖電流電沉積法制備了(Ni-Co)-Al2O3復(fù)合鍍層，研究了不同超聲波功率對(duì)復(fù)合鍍層顯微硬度的影響，結(jié)果表明，鍍層顯微硬度隨超聲波功率的增大而先增大后減小，功率為96 W時(shí)，硬度達(dá)到最大值460 HV。Chang認(rèn)為復(fù)合鍍層顯微硬度不僅與鍍層中Al2O3微粒含量有關(guān)，而且還與Al2O3微粒在復(fù)合鍍層中的分散程度有關(guān)。在低超聲波功率條件下，隨著超聲波功率的提高，鍍層中Al2O3微粒含量增加，分散更加均勻。此時(shí)超聲波的分散作用對(duì)鍍層硬度的提高起主要作用。在高超聲波功率條件下，鍍液中Al2O3微粒的碰撞幾率增大，團(tuán)聚現(xiàn)象出現(xiàn)，導(dǎo)致鍍層中Al2O3微粒含量降低，鍍層顯微硬度下降。

與機(jī)械攪拌相比，超聲波攪拌使納米微粒分散更加均勻、細(xì)致，增加了鍍層中納米微粒的含量，納米微粒的彌散強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等作用更加明顯，從而使得鍍層硬度更高。吳化等[27]研究了機(jī)械攪拌和超聲波加慢速機(jī)械攪拌對(duì) Ni-Si3N4納米復(fù)合鍍層的顯微硬度的影響。研究表明，與單獨(dú)使用機(jī)械攪拌相比，超聲波的疊加作用使鍍層中納米微粒含量增加，顯微硬度提高。Garcia等[28]研究了機(jī)械攪拌和超聲攪拌對(duì)Ni-Al2O3納米復(fù)合鍍層硬度的影響。其研究結(jié)果表明，Ni-Al2O3納米復(fù)合鍍層的硬度隨著 Al2O3濃度的增大而提高，在0 ～ 100 g/L范圍內(nèi)，采用超聲波攪拌制備的復(fù)合鍍層的硬度始終高于采用機(jī)械攪拌制備的復(fù)合鍍層。

超聲波的頻率和功率都會(huì)對(duì)復(fù)合鍍層的硬度產(chǎn)生影響。Gobinda等[29]研究表明，Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的硬度隨超聲波頻率和功率的增加呈現(xiàn)先增大后變小趨勢(shì)。超聲波功率恒為200 W時(shí)，頻率38 kHz下制備的鍍層硬度高于24 kHz和78 kHz下制備的鍍層硬度；頻率恒為38 kHz時(shí)，采用功率為200 W的超聲波所制備的鍍層硬度高于100 W和300 W所得到的鍍層硬度。改變鍍液中SiC含量從0 g/L到20 g/L，采用超聲波的復(fù)合鍍層硬度均高于未采用超聲波的復(fù)合鍍層。李雪松等[24]采用超聲波分散加機(jī)械攪拌電沉積制備了Ni-Si3N4納米復(fù)合鍍層，研究了攪拌方式對(duì)復(fù)合鍍層顯微硬度的影響，結(jié)果表明，Si3N4質(zhì)量濃度超過10 g/L時(shí)，采用超聲波分散加機(jī)械攪拌處理得到的復(fù)合鍍層的顯微硬度值(996 HV)高于單獨(dú)使用機(jī)械攪拌所得到的復(fù)合鍍層的顯微硬度值(800 HV)。Dietrich[30]在超聲波條件下制備了(Ni-Co)-Al2O3納米復(fù)合鍍層，結(jié)果表明，鍍層的顯微硬度提高了50%。

4. 4 超聲波對(duì)復(fù)合鍍層耐磨性的影響

超聲波可以提高復(fù)合鍍層的硬度、增大鍍層微粒含量、改變鍍層組織結(jié)構(gòu)等，這些均有利于復(fù)合鍍層耐磨性能的提高。

司東宏等[31]在電沉積過程中引入超聲波制備了Ni-ZrO2納米復(fù)合鍍層，并與未施加超聲波制備的Ni-ZrO2納米復(fù)合鍍層進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)超聲電沉積得到的 Ni-ZrO2納米復(fù)合鍍層具有更好的高溫抗氧化性能和耐磨性。這是因?yàn)閆rO2納米微?？纱龠M(jìn)保護(hù)性氧化膜的形核與長(zhǎng)大，提高鍍層的高溫抗氧化性能；而超聲波進(jìn)一步細(xì)化了鍍層晶粒，使得鍍層在高溫下更易于形成較薄的細(xì)晶氧化膜，從而使得復(fù)合鍍層的氧化速率顯著降低。復(fù)合鍍層中的納米微?？僧a(chǎn)生彌散強(qiáng)化效應(yīng)，超聲波還可進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)，這兩種強(qiáng)化效應(yīng)的共同作用使得超聲電沉積 Ni-ZrO2納米復(fù)合鍍層具有優(yōu)良的耐磨性。

據(jù)報(bào)道，超聲波可降低復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)。Rezrazi等[12]分別在有、無超聲波條件下電沉積Au-PTFE復(fù)合鍍層，并對(duì)其在對(duì)摩偶件為直徑5 mm的鋼球、轉(zhuǎn)速為0.2 ～ 1.0 r/s、載荷為2.5 N的銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摩擦200 r后，當(dāng)電流密度分別為1、4和6 A/dm2時(shí)，復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)從未施加超聲波時(shí)的0.2分別變?yōu)?.5、0.5和0.34，而施加功率為 40 W 超聲波的復(fù)合鍍層，其摩擦系數(shù)從0.16分別變?yōu)?.27、0.23和0.20。Rezrazi認(rèn)為，摩擦系數(shù)的降低與超聲波增加了鍍層中 PTFE微粒的含量有關(guān)。

代梅等[32]采用超聲輔助電沉積法在 45鋼上制備了Ni-TiN納米復(fù)合鍍層，研究了超聲功率對(duì)復(fù)合鍍層耐磨性的影響，結(jié)果表明，在超聲波功率小于 200 W時(shí)，鍍層磨損量隨著超聲功率的增大而減少。這是因?yàn)殡S著超聲功率的增大，超聲攪拌作用增強(qiáng)，降低了濃差極化，提高了電流效率，使鍍液中TiN微粒的沉積速度得到提高，進(jìn)而增加了鍍層中TiN微粒的含量。當(dāng)超聲功率大于200 W時(shí)，鍍層磨損量卻隨著超聲功率的增大而增加。這是因?yàn)槌暪β蔬^大時(shí)，超聲空化作用影響了TiN微粒的定向沉積，使得鍍層中TiN含量減少，磨損量增大。

超聲波還可以對(duì)復(fù)合鍍層的磨損特征產(chǎn)生影響。劉偉[33]利用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在室溫干摩擦條件下，比較了超聲-電沉積復(fù)合鍍層和單獨(dú)電沉積復(fù)合鍍層的摩擦性，發(fā)現(xiàn)在超聲波作用下的復(fù)合鍍層呈現(xiàn)不連續(xù)的磨痕，與未加超聲波作用的復(fù)合鍍層相比，磨痕較淺，剝落傾向也較小，鍍層的磨損面存在微小的凸起，其磨損特征屬于磨粒磨損，而未加超聲波作用的復(fù)合鍍層則呈現(xiàn)輕微的粘著磨損的特性。

4. 5 超聲波對(duì)復(fù)合鍍層耐蝕性的影響

許多研究表明，超聲波可使復(fù)合鍍層晶粒細(xì)小、表面平整致密，從而使得鍍層耐蝕性提高。

薛玉君等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在占空比為0.2、脈沖頻率為1 000 Hz時(shí)，超聲作用下制備的Ni-CeO2納米復(fù)合鍍層晶粒細(xì)小、組織致密、腐蝕速率低，表現(xiàn)出優(yōu)良的耐蝕性。在脈沖電沉積中引入超聲波，可以促使鍍層晶粒進(jìn)一步細(xì)化，從而明顯提高納米復(fù)合鍍層的耐蝕性。

常立民[34]分別在 3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的 NaCl溶液和 10%的 H2SO4溶液中對(duì)比了超聲-電沉積 Ni-Al2O3復(fù)合鍍層與單獨(dú)電沉積復(fù)合鍍層的耐蝕性，結(jié)果表明，前者在兩種溶液中的耐蝕性均優(yōu)于后者。這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)某暡ㄗ饔檬?Al2O3微粒均勻分散在復(fù)合鍍層中，使鍍層表面平整致密、孔隙率低，并細(xì)化鎳晶粒，從而使得鍍層耐蝕性提高。

超聲波的功率也會(huì)對(duì)復(fù)合鍍層的耐蝕性產(chǎn)生影響。吳慶利等[35]研究了超聲波功率對(duì)Ni-Al2O3納米復(fù)合鍍層在3.5%的 NaCl溶液中平均腐蝕速率的影響。結(jié)果表明，復(fù)合鍍層平均腐蝕速率隨超聲波功率增大呈先減小后增大的趨勢(shì)。其原因是：適當(dāng)?shù)某暪β视欣阱儗又屑{米微粒的分散，減少團(tuán)聚，并促進(jìn)其表面吸附表面活性劑分子而帶電，從而增加鍍層中納米微粒含量，提高鍍層耐蝕性。超聲功率過小，納米微粒容易發(fā)生團(tuán)聚，在腐蝕過程中易脫落形成大腐蝕孔；超聲功率過大，易使已沉積到鍍層表面的納米微粒脫落，且不利于 Ni2+沉積，使鍍層表面粗糙，耐蝕性減弱。

5 存在的問題

復(fù)合電沉積過程中引入超聲波，是一種可以大幅度提高復(fù)合鍍層性能的新方法，但仍存在以下幾個(gè)問題需要做進(jìn)一步研究：

(1) 目前對(duì)超聲波復(fù)合電沉積的研究多數(shù)只是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的總結(jié)，對(duì)其作用機(jī)理的研究還不深入。今后應(yīng)采用更多的測(cè)試手段和研究方法，深化對(duì)超聲復(fù)合電沉積作用機(jī)理的研究，對(duì)超聲波的功率、頻率、介入方式及超聲波衰減程度等對(duì)鍍層的影響規(guī)律做系統(tǒng)的研究。

(2) 對(duì)于超聲波復(fù)合電沉積，大部分研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，而應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的不多。這主要受兩方面的限制，一是超聲波復(fù)合電沉積工藝還不完善，不同電鍍類別之間可借鑒性和可移植性不強(qiáng)；二是超聲波電鍍?cè)O(shè)備還不能滿足工業(yè)化的要求。今后應(yīng)對(duì)超聲波復(fù)合電沉積工藝方面進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)和探討，增強(qiáng)工藝的穩(wěn)定性和可操作性；在工藝要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需求，加強(qiáng)對(duì)超聲波電鍍?cè)O(shè)備的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

6 結(jié)語

超聲波可以分散納米微粒，細(xì)化鍍層晶粒，提高電沉積速率，增大鍍層微粒含量，提高鍍層硬度、耐磨性和耐腐蝕性。因此，超聲波復(fù)合電沉積技術(shù)在實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)合電沉積、制備高耐磨性復(fù)合鍍層和高耐蝕性復(fù)合鍍層方面具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著聲化學(xué)和電沉積研究方法的不斷改進(jìn)、機(jī)理研究的進(jìn)一步深入和相關(guān)理論的日趨完善，超聲波復(fù)合電沉積技術(shù)也將不斷得到完善，其應(yīng)用范圍將越來越廣泛。

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