粉體粒度對鎳/Ti3SiC2復(fù)合鍍層耐磨性的影響

梁瑩 *，劉志強(qiáng)，冮冶，張春剛，劉明月

（1.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043；2.中國科學(xué)院沈陽金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

粉體粒度對鎳/Ti3SiC2復(fù)合鍍層耐磨性的影響

梁瑩1,*，劉志強(qiáng)1，冮冶1，張春剛1，劉明月2

（1.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043；2.中國科學(xué)院沈陽金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

采用電沉積法制備了 Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層。鍍液組成和工藝條件為：NiSO4·6H2O 250 g/L，NiCl2·6H2O 45 g/L，H3BO340 g/L，Ti3SiC2粉體 35 g/L，pH 4.0，溫度(55 ± 1)℃，攪拌速率400 r/min，電流密度0.65 A/dm2，時(shí)間30 min。研究了Ti3SiC2粉體粒度對 Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層耐磨性的影響。結(jié)果表明，隨Ti3SiC2粉體粒度減小，復(fù)合鍍層的表面粗糙度減小，耐磨性提高。經(jīng)磨損試驗(yàn)后，Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層未出現(xiàn)裂紋或剝落等嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，說明Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層具有良好的耐磨性。

鎳；鈦硅碳；復(fù)合電沉積；粒度；耐磨性

鎳基復(fù)合鍍層是最早開始研究的一類金屬基復(fù)合鍍層，將耐高溫的陶瓷顆粒作為共沉積相來制備鎳基復(fù)合鍍層通常具有較單金屬鍍層或合金鍍層更優(yōu)異的性能[1]。Ti3SiC2是三元層狀陶瓷(MAX相)中最具代表性的一種材料，具有高的剛性、可加工性、抗損傷容限，良好的抗熱震性、高溫抗氧化性，以及較低的硬度和剪切強(qiáng)度[2-4]。因此，將Ti3SiC2顆粒摻雜到Ni基質(zhì)中有望提高Ni鍍層的性能，進(jìn)而拓寬Ni基復(fù)合材料在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。采用傳統(tǒng)的高溫冶煉或粉末冶金等方法時(shí)，高溫過程會使Ni基質(zhì)與Ti3SiC2發(fā)生擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)而破壞材料的性能[5]。因此，制備Ni/Ti3SiC2復(fù)合材料需在較低溫度下進(jìn)行。電化學(xué)沉積是制備Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層的一種簡單可行的方法，因?yàn)門i3SiC2具有良好的導(dǎo)電性(電導(dǎo)率4.5 × 106S/m)，金屬Ni可直接沉積在Ti3SiC2顆粒表面，Ti3SiC2顆粒也就更容易被包埋于復(fù)合鍍層中。筆者已采用復(fù)合電鍍法成功制備Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層[6]。研究表明，與純Ni鍍層相比，Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層的硬度有了顯著提高，力學(xué)性能更好。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層具有較好的耐磨性，但復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)變化曲線波動(dòng)大，純Ni鍍層具有更低的摩擦因數(shù)，主要是由于Ti3SiC2粉體的加入使Ni鍍層的表面粗糙度增大。眾所周知，材料表面的粗糙程度會影響其耐磨性能。如果采用更小粒度的Ti3SiC2粉體制備Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層，那么其表面粗糙度也會隨之發(fā)生變化，這勢必對鍍層的耐磨性有影響。因此本文著重研究了Ti3SiC2粉體粒度對 Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層表面粗糙程度及耐磨性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 Ti3SiC2粉體的制備

Ti3SiC2粉體由固-液相反應(yīng)法制備[7]，將接近化學(xué)計(jì)量比的元素粉末Ti、Si、Al和石墨經(jīng)球磨混合后，在氬氣保護(hù)下于高溫?zé)Y(jié)爐中1 550 ℃保溫1 h。將所得Ti3SiC2球磨1 d或7 d后干燥過篩，得到平均粒度分別為4.4 μm和0.5 μm的Ti3SiC2粉末(分別標(biāo)記為4.4μ-TSC 和 0.5μ-TSC)。

1.2 Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層的制備

復(fù)合電鍍在 PARSTAT 2273電化學(xué)工作站(美國普林斯頓)上進(jìn)行，陰極是尺寸為25.0 mm × 5.0 mm ×2.5 mm的不銹鋼，陽極為純鎳片，極間距2 cm。鍍液組成與工藝條件為：NiSO4·6H2O 250 g/L，NiCl2·6H2O 45 g/L，H3BO340 g/L，Ti3SiC2粉體35 g/L，pH 4.0，溫度(55 ± 1)℃，攪拌速率400 r/min，電流密度0.65 A/dm2，時(shí)間30 min。由4.4μ-TSC、0.5μ-TSC制得的復(fù)合鍍層分別標(biāo)記為Ni/4.4μ-TSC和Ni/0.5μ-TSC。

1.3 性能表征

采用配有能譜儀(EDS)的Nova NanoSEM 430掃描電子顯微鏡(SEM，日本FEI)觀察Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層的表面微觀形貌。

采用 LEXT OLS4000激光共聚焦顯微鏡(日本OLYMPUS)測量鍍層的表面粗糙度，并在 3D模式下觀察鍍層的表面形，每個(gè)試樣取 3個(gè)不同位置進(jìn)行測定，取平均值。

鍍層的耐磨性能采用刻劃試驗(yàn)法，都在UMT-2多功能測試儀(美國CETR)上進(jìn)行，該儀器的工作模式如圖1所示。

圖1 刻劃實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the setup for scratch test

實(shí)驗(yàn)過程中將樣品固定在樣品支撐臺上，采用球形頂端(直徑0.4 mm)、圓錐角為120°的圓錐形金剛石刻劃壓頭接觸并刻劃鍍層表面，刻劃壓頭的照片如圖2所示。法向壓力由橫梁通過彈簧片和刻劃壓頭施加于試樣上，可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式、直線式或往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。本文采用的是直線式運(yùn)動(dòng)，施加于試樣上的載荷采用線性加載方式，即由2 g線性加載至300 g，加載速率為1.46 N/min；刻劃長度為10 mm；刻劃時(shí)間為2 min。摩擦因數(shù)由摩擦力(Fx)和法向載荷(Fz)計(jì)算得到，這兩項(xiàng)結(jié)果由計(jì)算機(jī)記錄。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，相對濕度為50%。利用Nova NanoSEM 430掃描電子顯微鏡觀察刻劃后鍍層表面的劃痕及形貌。

圖2 刻劃壓頭的特寫照片F(xiàn)igure 2 Close-up view of scratch indenter

2 結(jié)果與討論

2.1 Ti3SiC2粉體粒度對鍍層形貌和粗糙度的影響

圖3為球磨不同時(shí)間所得TSC粉體的形貌。

圖3 球磨不同時(shí)間后Ti3SiC2粉末的SEM照片F(xiàn)igure 3 SEM images of Ti3SiC2 powders after ball milling for different time

從圖3可知，與球磨1 d的4.4μ-TSC粉體相比，球磨7 d的0.5μ-TSC具有更小的粒度。二者制備的鎳基復(fù)合鍍層形貌見圖4。從圖4可知，由粒度較大的粉體制備的 Ni/4.4μ-TSC復(fù)合鍍層中，Ti3SiC2顆粒多呈較大片狀形貌，鍍層表面更加粗糙不平。

為更直觀、清楚地觀察復(fù)合鍍層的表面粗糙度，在激光共聚焦顯微鏡的三維模式下觀察鍍層，結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，Ni/0.5μ-TSC復(fù)合鍍層的表面比 Ni/4.4μ-TSC復(fù)合鍍層更平整。這說明降低鍍液中Ti3SiC2粉體的粒度，可明顯降低Ni/0.5μ-TSC復(fù)合鍍層的表面粗糙度。

表1為鍍層的表面粗糙度測試結(jié)果。

圖4 不同粒徑Ti3SiC2制備的Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層SEM照片F(xiàn)igure 4 SEM images of Ni/Ti3SiC2 composite coatings using Ti3SiC2 with different particle sizes

圖5 Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層的表面粗糙度三維照片F(xiàn)igure 5 Three-dimensional photos for surface roughness of Ni/Ti3SiC2 composite coating

表1 Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層的表面粗糙度Table 1 Surface roughness of Ni/Ti3SiC2composite coatings

從表 1可知，粉體粒度越小，對應(yīng)的復(fù)合鍍層表面粗糙度越小，耐磨性也更好。這是因?yàn)門i3SiC2顆粒本身具有較高的硬度，其彌散分布于Ni基質(zhì)中，使鍍層受到硬質(zhì)點(diǎn)彌散強(qiáng)化。Ti3SiC2的粒度越大，基質(zhì)金屬Ni對其包裹的體積也越大，結(jié)晶較粗大，強(qiáng)化效果也相對較差。

2.2 Ti3SiC2粉體粒度對鍍層耐磨性的影響

圖6為Ni/4.4μ-TSC和Ni/0.5μ-TSC復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)隨刻劃時(shí)間變化的曲線。

圖6 Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層摩擦因數(shù)隨刻劃時(shí)間的變化Figure 6 Variation of friction coefficient of Ni/Ti3SiC2 composite coating with scratch time

與Ni/4.4μ-TSC復(fù)合鍍層相比，Ni/0.5μ-TSC復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)變化曲線波動(dòng)較小，摩擦因數(shù)也明顯降低。這與鍍層的表面粗糙度有關(guān)，說明通過降低鍍液中的粉體粒度可以改善鍍層耐磨性。

圖7為復(fù)合鍍層經(jīng)刻劃試驗(yàn)后的SEM照片。

圖7 刻劃試驗(yàn)后Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層的SEM照片F(xiàn)igure 7 SEM images of Ni/Ti3SiC2 composite coatings after scratch test

從圖 7可知，刻劃壓頭沒有劃破復(fù)合鍍層而碰到基體，鍍層的磨痕都很淺，呈現(xiàn)平實(shí)的形貌。鍍層中的Ni晶?；騎i3SiC2顆粒被壓實(shí)，沒有出現(xiàn)凹坑、剝落或裂紋等嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，表明復(fù)合鍍層具有良好的耐磨性。

3 結(jié)論

Ti3SiC2粉體粒度越小，制備的 Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層表面粗糙度越小，其耐磨性也相應(yīng)提高。刻劃試驗(yàn)后，Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層的磨痕淺、Ni晶粒和 Ti3SiC2顆粒被壓實(shí)，并未出現(xiàn)裂紋或剝落等嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，具有良好的耐磨性。但在保證Ni/Ti3SiC2復(fù)合鍍層有良好耐磨性的同時(shí)，也應(yīng)關(guān)注其抗氧化和耐蝕等性能，這有待進(jìn)一步研究。

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[1]郭鶴桐, 張三元.復(fù)合電鍍技術(shù)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[2]BARSOUM M.The MN+1AXNphases: A new class of solids;Thermodynamically stable nanolaminates [J].Progress in Solid State Chemistry, 2000, 28 (1/4): 201-281.

[3]ZHOU Y C, SUN Z M.Microstructure and mechanism of damage tolerance for Ti3SiC2bulk ceramics [J].Material Research Innovations,1999, 2 (6): 360-363.

[4]BARSOUM M W, EL-RAGHY T.Synthesis and characterization of a remarkable ceramic: Ti3SiC2[J].Journal of the American Ceramic Society,1996, 79 (7): 1953-1956.

[5]SURENDER M, BASU B, BALASUBRAMANIAM R.Wear characterization of electrodeposited Ni-WC composite coatings [J].Tribology International, 2004, 37 (9): 743-749.

[6]LIANG Y, LIU M Y, CHEN J X, et al.Electrodeposition and characterization of Ni/Ti3Si(Al)C2composite coatings [J].Journal of Material Science and Technology, 2011, 27 (11): 1016-1024.

[7]ZHOU Y C, ZHANG H B, LIU M Y, et al.Preparation of TiC free Ti3SiC2with improved oxidation resistance by substitution of Si with Al [J].Materials Research Innovations, 2004, 8 (2): 97-102.

Influence of particle size on wear resistance of nickel/Ti3SiC2composite coating

LIANG Ying*, LIU Zhi-qiang, GANG Ye, ZHANG Chun-gang, LIU Ming-yue

Ni/Ti3SiC2composite coatings were prepared by electrodeposition from a bath containing NiSO4·6H2O 250 g/L,NiCl2·6H2O 45 g/L, H3BO340 g/L, and Ti3SiC2particles 35 g/L at temperature (55 ± 1)℃, pH 4.0, agitation rate 400 r/min, and current density 0.65 A/dm2for 30 min.The effect of Ti3SiC2particle size on wear resistance of Ni/Ti3SiC2composite coating was studied.Results show that the decrease of Ti3SiC2particle size reduces the roughness of Ni/Ti3SiC2composite coating, improving its wear resistance accordingly.There is no serious abrasion phenomenon like cracking or peeling on Ni/Ti3SiC2composite coating surface after abrasion test, illustrating that Ni/Ti3SiC2composite coating has excellent wear resistance.

nickel; titanium silicon carbide; composite electrodeposition; particle size; wear resistance

Shenyang Liming Aero-Engine Group Corporation Ltd., Shenyang 110043, China

TQ153.2

A

1004-227X (2013)11-0018-03

2013-03-31

2013-08-07

梁瑩（1983-），女，遼寧沈陽人，博士，工程師，主要從事表面處理技術(shù)及應(yīng)用研究。

(E-mail)yliang.avic@gmail.com。

周新莉]