超聲功率對(duì)噴射電沉積Ni鍍層組織及硬度的影響

吳　迪， 宋金琳， 蘭　龍， 何好斌

(1. 裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072； 2. 江蘇省電機(jī)工程學(xué)會(huì)， 江蘇 南京 210024；3. 石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院一大隊(duì)， 河北 石家莊 050200)

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超聲功率對(duì)噴射電沉積Ni鍍層組織及硬度的影響

吳迪1， 宋金琳2， 蘭龍1， 何好斌3

(1. 裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072； 2. 江蘇省電機(jī)工程學(xué)會(huì)， 江蘇 南京 210024；3. 石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院一大隊(duì)， 河北 石家莊 050200)

采用自行設(shè)計(jì)的超聲輔助噴射電沉積實(shí)驗(yàn)裝置，在不同超聲功率條件下制備了純Ni鍍層，表征了鍍層的表面形貌、顯微組織結(jié)構(gòu)，計(jì)算了晶粒尺寸和鍍層的硬度，并對(duì)超聲波功率影響鍍層的組織和硬度的機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：小功率(90～180 W)超聲波對(duì)鍍層表面質(zhì)量的改善不明顯，甚至?xí)怪異夯怀暡üβ试?70～360 W范圍內(nèi)時(shí)，隨超聲波功率的增大，鍍層表面更加平整，晶粒尺寸更加細(xì)小，顯微硬度提高；超聲波的加載使鍍層中納米孿晶數(shù)量顯著減少。

超聲波功率； 噴射電沉積； Ni鍍層組織； 硬度

超聲輔助噴射電沉積技術(shù)能夠提高電沉積速率和鍍層的質(zhì)量。與普通的刷鍍和電鍍相比，超聲輔助噴射電沉積具有沉積效率高、沉積速度快和利于工件精確成形等優(yōu)點(diǎn)，且鍍層硬度高、耐磨性和耐腐蝕性良好[1]，能更好地滿足裝備再制造中對(duì)武器裝備的修復(fù)要求。將超聲波與噴射電沉積技術(shù)相結(jié)合，既可將超聲加載于基體試樣，在基體試樣表面進(jìn)行噴射電沉積[2]，也可直接將超聲波作用于噴射的鍍液[3]。筆者將超聲波直接作用于鍍液[4]，并結(jié)合數(shù)控技術(shù)，利用不同的超聲功率制備Ni鍍層，研究超聲功率對(duì)鍍層組織及性能的影響規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

超聲輔助噴射電沉積實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。其中：超聲噴射裝置固定在支架上，其發(fā)出超聲波并直接作用于溶液中；三坐標(biāo)數(shù)控平臺(tái)通過(guò)試樣支架實(shí)時(shí)控制超聲射流裝置的位置和移動(dòng)速度；試樣與超聲噴射裝置分別連接電源的陰極、陽(yáng)極；帶有超聲振子的噴嘴與實(shí)驗(yàn)裝置的其他部分采用一體化設(shè)計(jì)，其鈦合金轉(zhuǎn)接頭的一端(開口直徑為3 mm)與噴嘴連接，另一端插入超聲波發(fā)生器的振子，受壓電解液經(jīng)側(cè)邊開口進(jìn)入噴嘴。

圖1　超聲輔助噴射電沉積實(shí)驗(yàn)裝置

該裝置綜合了噴射電沉積和功率超聲，超聲能量在沉積區(qū)域產(chǎn)生的聲熱能可為射流提供能量，有助于在電解液和工件接觸面上增大離子傳送速度，改善其分布狀況，進(jìn)而提高電鍍質(zhì)量。

1.2實(shí)驗(yàn)材料及表征

基體材料為正火態(tài)的45鋼，尺寸為50 mm×15 mm×5 mm。采用的鎳基鍍液的主要成分和濃度如表1所示。該溶液呈深綠色，其pH=4.0，密度為1.20 g/cm3。

表1　鎳基鍍液的主要成分和濃度

實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)如下：電壓為14 V；平均電流為50 mA；鍍液溫度為40 ℃；噴嘴直徑為2 mm；超聲波頻率為20 kHz。實(shí)驗(yàn)工藝流程為:工件表面預(yù)處理(打磨→電凈→活化→打底)→噴射電沉積。

采用Quanta 200型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,SEM)觀察鍍層的表面形貌。應(yīng)用JEM-2100型透射電子顯微鏡觀察鍍層的顯微組織及晶體電子衍射花樣。利用顯微硬度計(jì)測(cè)定鍍層的顯微硬度，試驗(yàn)載荷為200 g，加載時(shí)間為20 s。

采用Bruker D8 Advance 型X射線衍射儀(X-Ray Diffraction，XRD)測(cè)得鍍層的X射線衍射圖譜，Cu靶，入射波長(zhǎng)為0.154 06 nm，管電壓為40 kV，管電流為40 mA。采用謝樂(lè)公式

D(hkl)=kλ/(B1/2cosθ)

計(jì)算鍍層的平均晶粒尺寸D(hkl)，其中：k=1，為謝樂(lè)常數(shù)；λ為X射線特征波長(zhǎng)；B1/2為衍射線半高寬(rad)；θ為布拉格角。

2　結(jié)果與分析

2.1鍍層的表面形貌

不同超聲波功率條件下制備的鍍層顯微表面形貌(20 000倍)如圖2所示?？梢钥闯觯?)當(dāng)超聲波加載功率為0 W時(shí)，鍍層晶粒尺寸均勻，呈條狀；2)當(dāng)超聲波加載功率為90 W時(shí)，鍍層表面出現(xiàn)突起，晶粒均勻程度下降，與加載功率為0 W時(shí)相比，鍍層表面更粗糙；3)當(dāng)超聲波加載功率為180 W時(shí)，鍍層表面粗化程度下降，且條狀晶粒更為明顯；4)當(dāng)超聲波加載功率進(jìn)一步增大至270 W以上時(shí)，鍍層表面平整度驟然提高，表面更加致密，尤其是超聲波加載功率為360 W時(shí)，效果最為明顯。綜上，在噴射電沉積過(guò)中加載不同功率超聲波會(huì)影響鍍層表面形貌，具體規(guī)律是：小功率(90～180 W)超聲波對(duì)鍍層表面質(zhì)量的改善不明顯，反而使之惡化；而超聲波加載功率較大時(shí)(270～360 W)，鍍層表面更加致密。出現(xiàn)以上現(xiàn)象可能有以下原因：

1)由于超聲波的作用，液體中空化效應(yīng)產(chǎn)生的高速微射流在界面之間的強(qiáng)烈攪拌作用促進(jìn)了電沉積中粒子的轉(zhuǎn)移[5]，Ni2+發(fā)生沉積后在基體表面附近的離子濃度能保持相對(duì)穩(wěn)定，從而使得鍍層表面平整。

2)超聲波促進(jìn)了Ni2+的遷移，提高了結(jié)晶的形核率，這有利于相鄰的2個(gè)較大晶粒之間形成新的晶核，填充了較大晶粒之間的空隙，從而使得鍍層更加致密[6]。

圖2　不同超聲波功率條件下鍍層的表面形貌

3)超聲的空化效應(yīng)以及超聲傳播時(shí)在鍍層表面產(chǎn)生的微小射流，清洗了原本吸附在表面的氫和雜質(zhì)，從而使離子在陰極上的沉積更易進(jìn)行[7-8]。

2.2鍍層的相結(jié)構(gòu)

圖3為不同超聲波功率條件下制備鍍層的XRD圖譜?？梢钥闯觯翰煌暡üβ蕳l件下的鍍層均在76°附近時(shí)出現(xiàn)最強(qiáng)衍射峰(對(duì)應(yīng)于(220)晶面)，而純Ni的標(biāo)準(zhǔn)最強(qiáng)衍射峰應(yīng)出現(xiàn)在(111)晶面，顯然鍍層出現(xiàn)了(220)的擇優(yōu)取向，這可能是噴射電沉積較高的電流密度造成的；同時(shí)，電沉積過(guò)程中加載不同功率超聲波后，(220)衍射峰強(qiáng)度有所降低，其余衍射峰強(qiáng)度均沒(méi)有明顯變化。

圖3　不同超聲波功率條件下制備鍍層的XRD圖譜

為進(jìn)一步分析不同功率的超聲波對(duì)鍍層相結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，鍍層的織構(gòu)系數(shù)R(hkl)[1]，可表示為

(1)

式中：Is(hkl)、Io(hkl)分別為Ni鍍層和標(biāo)準(zhǔn)Ni的衍射峰強(qiáng)度；n為衍射峰個(gè)數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中n=4，所以R(hkl)≥25%的晶面即為擇優(yōu)取向晶面。圖4為計(jì)算得到的不同超聲波功率條件下制備鍍層各晶向的織構(gòu)系數(shù)，可以看出：在噴射電沉積過(guò)程中，加載不同功率的超聲波對(duì)鍍層各晶面的織構(gòu)系數(shù)有一定的影響，但影響并不明顯，僅當(dāng)超聲功率達(dá)到360 W時(shí)，(220)的織構(gòu)系數(shù)由270 W時(shí)的87%降至79.6%。

圖4　不同超聲波功率條件下制備鍍層各晶向的織構(gòu)系數(shù)

圖5為不同超聲波功率條件下制備鍍層的晶粒尺寸，可以看出：在0～360 W范圍內(nèi)，隨著超聲波功率的增加，鍍層晶粒尺寸越來(lái)越小，由無(wú)超聲波時(shí)的97 nm降低至超聲波為360 W時(shí)的77 nm，說(shuō)明在噴射電沉積過(guò)程中加載超聲波對(duì)鍍層晶粒有一定的細(xì)化作用。

圖5　不同超聲波功率條件下制備鍍層的晶粒尺寸

晶粒尺寸得到細(xì)化的原因可能為：超聲產(chǎn)生的機(jī)械力破壞了晶粒的正常長(zhǎng)大，形核率提高[9]，且在一定范圍內(nèi)，隨著超聲功率的增大，超聲波能量增大，產(chǎn)生的超聲攪拌作用增強(qiáng)，使得臨界晶粒尺寸不斷減小。

2.3鍍層的顯微組織

圖6、7分別為無(wú)超聲波、加載180 W超聲波條件下制備Ni鍍層的透射電子顯微鏡形貌及對(duì)應(yīng)的多晶電子衍射花樣。可以看出超聲波對(duì)鍍層顯微組織主要有以下方面的影響：

1)超聲波使得鍍層晶粒尺寸細(xì)化。無(wú)超聲波時(shí)，鍍層平均晶粒尺寸約為120 nm，而加載180 W的超聲波后，鍍層平均晶粒尺寸減小至60 nm，這一結(jié)果與謝樂(lè)公式計(jì)算結(jié)果相吻合，即超聲波對(duì)鍍層晶粒有顯著的細(xì)化作用。

2)超聲波影響鍍層晶粒形態(tài)。無(wú)超聲波時(shí)，鍍層中有明顯的、數(shù)量相對(duì)較多、尺寸較大的納米孿晶存在；而加載180 W超聲波后，鍍層中納米孿晶數(shù)量明顯減少，且納米孿晶尺寸也有所減小。

3)加載超聲波前后，鍍層多晶電子衍射花樣無(wú)明顯變化，且存在大量成對(duì)的明亮斑點(diǎn)以及不連續(xù)的衍射環(huán)，這些特征均說(shuō)明鍍層內(nèi)有孿晶存在。出現(xiàn)納米孿晶的原因可能與噴射電沉積電流密度較大有關(guān)，而電沉積過(guò)程中加載超聲波對(duì)晶粒生長(zhǎng)過(guò)程產(chǎn)生的擾動(dòng)打斷了晶粒的正常生長(zhǎng)，在減小晶粒尺寸的同時(shí)抑制了孿晶的產(chǎn)生。此外，超聲波的作用可能降低了鍍層的內(nèi)應(yīng)力，從而減少了孿晶的產(chǎn)生。

4)將透射電子顯微鏡觀察鍍層的晶粒尺寸與用X射線衍射計(jì)算的晶粒尺寸進(jìn)行比較，二者結(jié)果相近，說(shuō)明利用X射線衍射峰計(jì)算出的晶粒尺寸與鍍層實(shí)際晶粒尺寸具有較好的一致性。

圖6　無(wú)超聲波條件下制備Ni鍍層的透射電子顯微鏡形貌及對(duì)應(yīng)的多晶電子衍射花樣

圖7　加載180 W超聲波條件下制備Ni鍍層的透射電子顯微鏡形貌及對(duì)應(yīng)的多晶電子衍射花樣

2.4鍍層的硬度

圖8為不同超聲波功率下鍍層的顯微硬度，可以看出：1)加載超聲波比無(wú)超聲波條件下制備的鍍層硬度高，即在噴射電沉積過(guò)程中加載不同功率超聲波可以提高鍍層硬度；2)超聲波功率對(duì)鍍層的顯微硬度也有影響，在使用的超聲波功率范圍內(nèi)，超聲

圖8　不同超聲波功率下鍍層的顯微硬度

波功率越大，鍍層的顯微硬度越高，超聲波功率為360 W時(shí)，鍍層的顯微硬度最高，達(dá)到570 HV；3)當(dāng)超聲波功率在180 W以內(nèi)時(shí)，超聲波功率的增大對(duì)鍍層顯微硬度的影響比較明顯，而當(dāng)功率大于180 W時(shí)，超聲波功率的增大對(duì)提高鍍層顯微硬度這一作用效果趨緩。

結(jié)合圖5-7可知，本實(shí)驗(yàn)中不同功率的超聲波影響鍍層顯微硬度的原因?yàn)椋涸趪娚潆姵练e過(guò)程中由于超聲波的引入，其超聲空化產(chǎn)生的強(qiáng)烈攪拌作用破壞了鍍層結(jié)晶過(guò)程晶粒的正常長(zhǎng)大，同時(shí)促進(jìn)了鍍層表面電解液的流動(dòng)和金屬離子的傳質(zhì)，有利于電沉積過(guò)程晶核的形成，使得鍍層晶粒細(xì)化，進(jìn)而提高了鍍層的顯微硬度；超聲波功率小于180 W時(shí)，功率越大，這一效果就越明顯，而當(dāng)功率達(dá)到180 W以上時(shí)，超聲波功率對(duì)電沉積過(guò)程的作用效果趨緩，進(jìn)而對(duì)鍍層顯微硬度的提高效果也不再顯著。

3　結(jié)論

筆者利用自行設(shè)計(jì)的超聲波輔助噴射電沉積實(shí)驗(yàn)裝置，在不同超聲波功率(0～360 W)條件下制備了的純金屬Ni鍍層，結(jié)果表明：隨超聲波功率的增加，鍍層表面形貌呈現(xiàn)先變粗糙后變平整的趨勢(shì)，超聲波功率為180 W時(shí)鍍層表面質(zhì)量最差，功率為360 W時(shí)鍍層表面質(zhì)量最好；超聲波輔助能減小噴射電沉積制備鍍層的(220)擇優(yōu)取向，超聲波功率增大，其影響增大；超聲波的引入可減小噴射電沉積層晶粒尺寸，提高鍍層顯微硬度，且超聲波功率越大，晶粒尺寸越小，鍍層硬度越高，功率為360 W時(shí)鍍層硬度達(dá)到570 HV。

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Effects of Ultrasonic Power on the Microstructure and Hardness of Ni Coating Obtained by Jet Electrodeposition

WU Di1, SONG Jin-lin2, LAN Long1, HE Hao-bin3

(1. Department of Equipment Maintenance and Remanufacture Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Jiangsu Province Institute of Electrical Engineering, Nanjing 210024, China;3. Company No.1, Shijiazhuang Mechanized Infantry Academy, Shijiazhuang 050200, China)

Ni coating is prepared by ultrasonic assisted jet electrodeposition device under different ultrasonic power. The surface morphology and microstructure of the coating is observed and characterized, the grain size is calculated, the hardness of the coating is evaluated, and the influence mechanism of ultrasonic power on the coating morphology and hardness are also discussed. The experimental results show that when the ultrasonic power is small (90-180 W),the improvement of the surface quality of the coating is not obvious, and even make it worse; when the ultrasonic power is strong (270-360 W), with the increase of ultrasonic power, the surface of the coatings become smoother, the grain size is even smaller, and the microhardness is improved. The transmission electron microscope shows also that quantity of twin crystal of the coating is reduced under ultrasonic condition.

ultrasonic power; jet electrodeposition; Ni coating microstructure; hardness

1672-1497(2016)04-0094-04

2016-01-17

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

吳迪(1979-)，男，博士研究生。

TB331； TB559； TQ153.1+2

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.019