熱應力緩解型梯度熱鍛模用鎳包碳化硅復合粉體的制備

李書林等

摘 要：用化學鍍的方法對SiC表面進行包覆鎳處理，防止其在等離子粉末堆焊制備熱應力緩解型鍛模過程中出現(xiàn)的與其他金屬潤濕性差，弱化界面，氧化燒損等缺陷，是制備高性能功能梯度熱鍛模的關鍵。采用酸性化學鍍的方法在粒度為180μm的SiC表面鍍覆了一層鎳磷合金。X射線衍射與能譜分析表明覆層為非晶態(tài)結構，掃描電鏡分析表明覆層均勻致密，并分析了不同攪拌模式下覆層的微觀結構及生長方式。結合比表面分析技術，提出了一種求粉體鍍覆速率及優(yōu)化粗化時間的方法。

關鍵詞：化學鍍，鎳包碳化硅粉體，生長方式，比表面，鍍覆速率

引言

熱鍛成形是常用的金屬成形方法之一，用于諸多關鍵零部件的制造。熱鍛過程中，模具工作表面服役條件極其惡劣，嚴重影響模具服役壽命。目前，公認的熱鍛模失效形式主要有機械疲勞、磨損、塑性變形和熱疲勞四種[1]。國內外一些學者針對鍛模失效問題進行了大量的研究，試圖探尋鍛模失效的最主要原因，雖然結果各自不一[2-5]，但都揭示出了鍛模工作時的高溫是造成鍛模失效的最根本原因之一。因此，提高鍛模熱強度、熱硬性、抗熱疲勞性能便成了鍛造行業(yè)亟待解決的課題。文獻[6，7]研究結果表明，有效緩解鍛模工作表面的熱應力是提高鍛模壽命行之有效的手段。功能梯度材料（Functionally Gradient Materials， FGM），因材料內部不存在明顯的界面，能成功緩和材料內的熱應力，被認為是可應用于高溫環(huán)境下的新一代功能材料[8， 9]。SiC陶瓷，因低密度、高硬度、高熱導率，低熱膨脹系數(shù)，耐磨、耐腐蝕、耐高溫氧化等優(yōu)點，在金屬基復合材料（Metal Matrix Composites， MMCs）中，被認為是最有潛力的陶瓷增強相材料之一，受到廣泛關注[10]。作者試圖將FGM引入鍛模設計制造領，通過將SiC粉體與適用于鍛模的金屬基粉末按照一定的比例和特定的方法混合，用堆焊技術在普通模具鋼基體表面制成碳化硅增強MMCs梯度層，從而得到FGM熱鍛模，達到緩解鍛模熱應力并提高其壽命的目的。然而，實踐表明，具有共價鍵的SiC陶瓷材料在與金屬基體結合過程中，由于彼此之間的性能差異，以及SiC在制備過程中的氧化燒損，使得制備出的FGM存在界面弱化，氣孔等缺陷，影響其使用性能。國外學者在使用SiC增強MMCs時，同樣面臨了上述問題，并針對該問題提出了一些表面改性方法，如氣相沉積， 溶膠-凝膠法。然而，氣相沉積由于工藝復雜，制備的涂層較薄，且成本過高，尚不具備工業(yè)化應用的條件；溶膠凝膠法的膠體配制過程較為復雜，且需后續(xù)煅燒過程，制備周期較長。而作為表面處理中較常見的化學鍍技術，因低成本、易于操作、且適合大規(guī)模生產(chǎn)，是比較成熟的表面覆層技術之一。目前，關于化學鍍方法制備覆層的報道較多，但對碳化硅粉體的化學鍍包覆改性研究則不很常見。一方面，由于粉體較大的比表面容易觸發(fā)鍍液分解失效，同時粉體鍍覆速率的計算相對復雜，且無相應的標準可供參考。目前，評價粉體鍍層厚度較為常見的方法為增重法（單位，g/min），該方法只能從宏觀上來判斷鍍覆速率，且不能與傳統(tǒng)的鍍覆速率（單位，μm/min）進行比較，這顯然對粉體化學鍍鍍液配方和工藝參數(shù)優(yōu)化不利。本文通過引入比表面測試方法，給出了一種較為快捷的求粉體鍍覆速率和優(yōu)化粗化時間的方法。同時觀察了制備出的鎳包碳化硅復合粉體表面鍍層的微觀結構，探討了覆層的生長機制，研究前處理過程中粗化時間與粗化效果之間的關系，以及不同攪拌方式對鍍層結構的影響。連續(xù)攪拌模式下的鍍層表現(xiàn)更為光滑，鍍層顆粒感更強。為此，對兩種粉體隨機位置，拍攝了如c）、f）所示高放大倍數(shù)下的覆層微觀形貌，兩者均表明，覆層由大量的顆粒狀沉積構成。不同之處在于，連續(xù)攪拌模式下，顆粒大部分呈現(xiàn)如c）中A處箭頭所示的規(guī)則球形且表面存在大量的樹枝晶，局部有如B箭頭所示的片層狀結構；而間歇攪拌模式下，顆粒大部分呈現(xiàn)如f）中箭頭所指的平面結構，局部有規(guī)則顆粒狀結構。以上結果表明攪拌方式會影響覆層生長模式，進而影響其結構。其產(chǎn)生的可能原因是攪拌方式影響了鍍液中離子的分布，進而影響到形核、核長大過程。間歇攪拌模式下，鎳沉積一旦發(fā)生，其界面前端參與反應的離子可能因鍍液離子擴散不充分而得不到及時補充，濃度便會迅速下降，使得覆層沿厚度方向的生長變緩，此時覆層便沿著平面方向以特定的速度生長，易形成如f）所示平面結構。e）中C處箭頭所指為一溝壑狀壁壘，該壁壘一方面可能是由原始粉體形貌造成，另一方面也可能是由間歇攪拌下沉積速度不均引起，它的存在使得D處形成死角，鍍液擴散相對不充分，于是該處出現(xiàn)明顯片層結構覆層。當鍍液攪拌充分時，離子分布均勻，則容易形成如c）圖中A所指的球團狀結構。該現(xiàn)象可用熱力學第二定律來解釋，因為球形的比表面積小，表面能低，可使體系自由能降低趨向穩(wěn)定。球團表面大量的樹枝晶產(chǎn)生的原因可能是，一方面，化學鍍是一個選擇自催化沉積過程，即形核只能依附有催化活性的表面進行，先前的球團顆粒表面顯然具有催化活性，使得該處界面前沿具備形核長所需的熱力學條件；另一方面由于界面吸附，使得界面前端反應離子富集，便可能伴隨有“成分過冷”的發(fā)生。在上述因素的共同作用下，覆層/鍍液界面前端形成了最有利的形核、核長大條件，便產(chǎn)生了樹枝晶。兩種攪拌模式下，反應85 min后，鍍液中都產(chǎn)生了大量氣泡，且鍍液急劇變渾濁，這是由于在覆層界面上沉積的鎳顆粒，由于攪拌對流作用，擴散至遠離界面處的鍍液中，使得該處具備了“異質形核”的條件，鍍液中的鎳離子與次亞磷酸根離子依附其上發(fā)生氧化還原反應，出現(xiàn)了“內生生長”，大量的鎳離子生成，導致鍍液迅速自沉積降解，此時應停止施鍍。

3.結 論

樹枝晶是Ni-P合金形核的一種形式，在施鍍過程中應通過工藝控制，降低鍍液自分解的趨勢。

3.3.通過粉體的比表面測試，提出了一種計算粉體鍍覆速率的方法，使得粉體施鍍速率與傳統(tǒng)的塊狀施鍍速率單位統(tǒng)一，同時提供了一種優(yōu)化粉體粗化時間的方法。

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