柔性受壓對(duì)鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層微觀結(jié)構(gòu)和抗拉強(qiáng)度的影響

錢王歡，繆小梅，秦 豐

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柔性受壓對(duì)鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層微觀結(jié)構(gòu)和抗拉強(qiáng)度的影響

錢王歡，繆小梅，秦 豐

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，無錫 214121)

在鎢絲增強(qiáng)鎳的電鑄制造過程中，利用柔性壓緊輪補(bǔ)充電沉積區(qū)域的電鑄液，并摩擦與擠壓復(fù)合電鑄層，以提高鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層的抗拉強(qiáng)度。研究柔性受壓條件對(duì)復(fù)合電鑄層表面形貌、斷口形貌和抗拉強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：柔性壓緊輪對(duì)復(fù)合電鑄層的摩擦與擠壓作用顯著減少表面孔隙并細(xì)化晶粒；其輸送電鑄液的作用能夠防止復(fù)合電鑄層內(nèi)部出現(xiàn)空洞；柔性受壓條件對(duì)復(fù)合電鑄層抗拉強(qiáng)度的提升效果隨著鎢絲體積分?jǐn)?shù)的增加而越發(fā)顯著，當(dāng)鎢絲體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，抗拉強(qiáng)度提升18%，達(dá)到1558 MPa。

柔性受壓；電鑄；抗拉強(qiáng)度；鎢絲；鎳

作為一種精密特種加工方法，電鑄技術(shù)利用金屬離子在陰極表面電沉積的原理進(jìn)行零件的制造，廣泛應(yīng)用于航空航天、精密模具以及兵器工業(yè)等高新技術(shù)領(lǐng)域[1?3]。抗拉強(qiáng)度是電鑄層重要性能指標(biāo)，如何獲得高強(qiáng)度的電鑄層是目前電鑄技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。國內(nèi)外學(xué)者提出了多種手段以提升電鑄層的抗拉強(qiáng)度，包括細(xì)化晶粒[4?5]、磨擦輔助[6]、合金增強(qiáng)[7?8]、顆粒增強(qiáng)[9?11]、連續(xù)纖維增強(qiáng)[12?14]等。其中，連續(xù)纖維增強(qiáng)技術(shù)對(duì)電鑄層抗拉強(qiáng)度的提升作用非常顯著。從理論上來說，如果在電鑄層受載方向上加入大量高強(qiáng)度、高模量的連續(xù)纖維，那么在電鑄層受到拉伸時(shí)，這些高強(qiáng)度纖維能夠比金屬承受高得多的載荷，進(jìn)而提升整個(gè)電鑄層的強(qiáng)度[15]。

歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)(EADS)的SUCHENTRUNK[12]將高強(qiáng)度的硼纖維、碳化硅纖維與金屬銅、鋁等進(jìn)行復(fù)合電鑄，獲得的硼纖維?銅、碳化硅纖維?鋁復(fù)合電鑄層的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到1040 MPa與970 MPa。為了進(jìn)一步提升連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合電鑄層的強(qiáng)度，研究者們大多采用加入更高強(qiáng)度增強(qiáng)纖維或提高增強(qiáng)纖維體積分?jǐn)?shù)等方法，取得了一定的效果，但也遇到了不少的問題，譬如高體積分?jǐn)?shù)下復(fù)合電鑄層內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重空洞，以及纖維與電鑄金屬的結(jié)合性能不夠理想等問題[13?14]。這些問題嚴(yán)重制約了復(fù)合電鑄層強(qiáng)度的進(jìn)一步提升。

為此，本文作者提出在柔性受壓條件下進(jìn)行連續(xù)纖維增強(qiáng)電鑄的技術(shù)，并以鎢絲增強(qiáng)鎳為例，研究了柔性受壓條件對(duì)鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層表面形貌、斷口形貌等微觀結(jié)構(gòu)以及抗拉強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理及裝置

柔性受壓電鑄制造技術(shù)的原理如圖1所示。在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬的電鑄制造過程中，密集纏繞于陰極表面的纖維會(huì)對(duì)溶液與離子的自然擴(kuò)散產(chǎn)生一定的阻礙作用，導(dǎo)致復(fù)合電鑄層出現(xiàn)缺陷。為此，在電鑄過程中增加一柔性壓緊輪緊貼于陰極芯模。該柔性壓緊輪內(nèi)芯為不銹鋼，外層用海綿包裹，海綿的儲(chǔ)水作用可以不斷給密集纏繞在陰極表面的纖維簇內(nèi)部輸送新鮮電鑄液，保證電沉積的順利進(jìn)行，防止內(nèi)部出現(xiàn)空洞；此外，柔性壓緊輪對(duì)復(fù)合電鑄層的摩擦和擠壓作用不僅能改善電沉積的結(jié)晶過程，還能促進(jìn)副反應(yīng)生成氫氣的排出。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理示意圖

試驗(yàn)裝置如圖2所示。采用溶液外循環(huán)加熱的方式保證電鑄溫度的恒定。鎢絲在柔性壓緊輪的作用下緊貼于陰極芯模表面，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鎢絲不斷纏繞在陰極芯模上，同時(shí)控制器帶動(dòng)鎢絲在水平方向上做微小移動(dòng)。由于金屬的沉積速度一定，因此通過調(diào)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和水平軸的移動(dòng)速度就可以控制加入鎢絲的體積分?jǐn)?shù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)過程

選用的鎢絲直徑為20 μm，抗拉強(qiáng)度為3250 MPa。鑒于電鑄鎳技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，因此選擇鎳作為電鑄金屬。溶液選擇常規(guī)的氨基磺酸鎳電鑄液，其組成如表1所列，為了減少影響因素，所用試劑均為分析純并使用去離子水配制，保持溶液pH值為4.5，溫度為43℃。

表1 電鑄液配方

試驗(yàn)分別在柔性受壓和非柔性受壓兩種條件下進(jìn)行。陽極采用INCO公司生產(chǎn)的高純度鎳珠，并用滌綸布包裹，防止陽極泥滲出。陰極為不銹鋼圓棒，經(jīng)過測算，沉積面積為0.5 dm2。

陰極芯模依次經(jīng)過除油、拋光、弱浸蝕等處理后放入電鑄槽。在電流密度為2 A/dm2的條件下，通過電量控制法制備出不同體積分?jǐn)?shù)且厚度均為300 μm的鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層。

在車床上將表面整平并去除表層多余的鎳，然后使用線切割慢走絲機(jī)將復(fù)合電鑄層切割成9 mm寬的環(huán)狀試件，最后用金相砂紙對(duì)線切割刃邊進(jìn)行打磨和拋光。

抗拉強(qiáng)度在一臺(tái)INSTRON 2369型萬能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試；試樣的表面形貌、斷口形貌等使用HITACHI 3400N型掃描電鏡進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌

圖3所示為兩種條件下獲得的鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層表面SEM像。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：未使用柔性壓緊輪獲得的電鑄層晶粒尺寸明顯大于5 μm；而在柔性受壓條件下獲得的電鑄層表面較為平整，晶粒尺寸僅為2 μm左右。這是因?yàn)樵谌嵝允軌弘婅T過程中，柔性壓緊輪不斷對(duì)陰極進(jìn)行摩擦和擠壓，使得陰極表面的活化點(diǎn)以及位錯(cuò)數(shù)目增多，因此更加容易得到細(xì)而多晶的沉積層[16]。而根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，晶粒的細(xì)化可以顯著提高普通多晶金屬材料的強(qiáng)度[17]。

仔細(xì)對(duì)比圖3(a)和(b)還可以發(fā)現(xiàn)，柔性壓緊輪的應(yīng)用可以顯著降低復(fù)合電鑄層表面孔隙。在電鑄過程中，當(dāng)鎳離子被還原的同時(shí), 氫離子也在陰極表面還原成氫原子，當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)，就形成了氫氣泡。由于陰極表面纏繞有鎢絲，氫氣泡進(jìn)入溶液的通道被阻礙，只得吸附在鎢絲與陰極表面，導(dǎo)致這些地方的鎳沉積被阻礙，形成如圖3(a)所示的孔隙。而在柔性受壓條件下，柔性壓緊輪不斷摩擦和擠壓陰極表面，將吸附于陰極和鎢絲表面的氫氣泡有效地剝離下來，從而避免復(fù)合電鑄層表面形成孔隙。

圖3 不同條件下獲得的鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層表面SEM像

2.2 斷口形貌

圖4所示為制得的鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層的斷口形貌。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，非柔性受壓條件下獲得的復(fù)合電鑄層內(nèi)部出現(xiàn)了幾處較為明顯的空洞；而在柔性受壓條件下獲得的復(fù)合電鑄層則未出現(xiàn)明顯的空洞。

而在柔性受壓電鑄制造過程中，柔性壓緊輪表面的海綿可以源源不斷地向纏繞在陰極表面的鎢絲簇內(nèi)部“泵入”新鮮的電鑄液，使得電沉積順利進(jìn)行；同時(shí)，壓緊輪對(duì)陰極的擠壓作用也能保證鎢絲與電沉積的鎳緊密結(jié)合，使得復(fù)合電鑄層內(nèi)部致密無空洞。

圖4 不同條件下獲得的鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層斷口形貌

2.3 抗拉強(qiáng)度

圖 5 所示為鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層在不同鎢絲體積分?jǐn)?shù)下的抗拉強(qiáng)度。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，兩種條件下獲得的鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層的抗拉強(qiáng)度均隨著鎢絲體積分?jǐn)?shù)的升高而升高，但柔性受壓條件下獲得的復(fù)合電鑄層具有更高的強(qiáng)度。隨著鎢絲體積分?jǐn)?shù)的升高，柔性受壓對(duì)復(fù)合電鑄層抗拉強(qiáng)度的提升效果越來越顯著，特別地，當(dāng)鎢絲體積分?jǐn)?shù)高于45%時(shí)，非柔性受壓條件下獲得的復(fù)合電鑄層強(qiáng)度已經(jīng)開始隨著鎢絲的增加而下降，而柔性受壓條件下獲得的復(fù)合電鑄層強(qiáng)度依然在上升。當(dāng)鎢絲體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，柔性壓緊輪的應(yīng)用使得復(fù)合電鑄層的抗拉強(qiáng)度從1320 MPa提高到1558 MPa，提升了18%。

在低纖維體積分?jǐn)?shù)下，復(fù)合電鑄層表面出現(xiàn)孔隙、內(nèi)部出現(xiàn)空洞的問題并不突出，因此柔性壓緊裝置僅通過細(xì)化晶粒的方式來提升復(fù)合電鑄層的強(qiáng)度，效果并不明顯。但隨著鎢絲加入量的增多，尤是當(dāng)鎢絲體積分?jǐn)?shù)超過45%時(shí)，若不使用柔性壓緊輪，那么在纏有大量鎢絲的陰極電沉積區(qū)域內(nèi)生成的氫氣泡將會(huì)越來越難以逸出；外部新鮮的電鑄液則越來越難以穿透鎢絲簇而進(jìn)入該區(qū)域，導(dǎo)致復(fù)合電鑄層表面孔隙和內(nèi)部空洞越來越嚴(yán)重，鎢絲與鎳基體的結(jié)合性能變差。受到拉伸時(shí)，較差的結(jié)合性能使得鎳基體無法順利地將應(yīng)力傳遞給鎢絲，導(dǎo)致復(fù)合電鑄層在鎢絲還未起到足夠的增強(qiáng)作用時(shí)便因?yàn)殒嚮w被破壞而斷裂失效了[18]。

圖5 不同鎢絲體積分?jǐn)?shù)下復(fù)合電鑄層的抗拉強(qiáng)度

3 結(jié)論

1) 柔性壓緊輪的摩擦和擠壓作用能夠有效降低鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層表面孔隙并細(xì)化鎳晶粒。

2) 柔性壓緊輪輸送電鑄液的作用能夠有效防止鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層在高纖維體積分?jǐn)?shù)下出現(xiàn)內(nèi)部空洞。

3) 柔性受壓條件下獲得的鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層具有更高的抗拉強(qiáng)度，并且隨著鎢絲體積分?jǐn)?shù)的升高，其對(duì)抗拉強(qiáng)度的提升作用越發(fā)明顯，當(dāng)鎢絲體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)，制得的鎢絲?鎳復(fù)合電鑄層的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1558 MPa。

[1] TANABE Y, NISHIKAWA H, SEKI Y, SATOH T, ISHII Y, KAMIYA T, WATANABE T, SEKIGUCHI A. Electroforming of Ni mold for imprint lithography using highaspectratio PMMA microstructures fabricated by proton beam writing[J]. Microelectronic Engineering, 2011, 88(8): 2145?2148.

1、蜘蛛：能坐享其成，靠的就是那張關(guān)系網(wǎng)。2、蝦：大紅之日，便是大悲之時(shí)。3、天平：誰多給一點(diǎn)，就偏向誰。4、瀑布：因居高臨下，才口若懸河。5、鋸子：伶牙俐齒，專做離間行為。6、核桃：沒有華麗的外表，卻有充實(shí)的大腦。7、花瓶：外表再漂亮，也掩不住內(nèi)心的空虛。

[2] TANG P T. Electroforming: From rocket engines to nanotweezers[J]. Micro and Nanosystems, 2011, 3(3): 180?187.

[3] HART T, WATSON A. Electroforming[J]. Metal Finishing, 2000, 98(1): 388?399.

[4] Karimpoor A A, Erb U, Aust K T, Palumbo G. High strength nanocrystalline cobalt with high tensile ductility[J]. Scripta Materialia, 2003, 49(7): 651?656.

[5] 劉宇星, 郭占成, 盧維昌, 段 岳. 電沉積制備鎳箔的SEM形貌和抗拉強(qiáng)度[J]. 過程工程學(xué)報(bào), 2004, 4(4): 340?346. LIU Yu-xing, GUO Zhan-cheng, LU Wei-chang, DUAN Yue. SEM morphology and tensile strength of nickel foil by electrodeposition[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2004, 4(4): 340?346.

[6] 章 勇, 朱增偉, 朱 荻. 輔助磨擦對(duì)鎳電鑄層力學(xué)性能的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2012, 22(5): 1377?1382. ZHANG Yong, ZHU Zeng-wei, ZHU Di. Effect of attrition on mechanical properties of electroformed nickel[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2012, 22(5): 1377?1382.

[7] 許偉長, 戴品強(qiáng), 鄭耀東. 鈷含量對(duì)電沉積納米晶鎳鈷合金組織與力學(xué)性能的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(1):92?100. XU Wei-chang, DAI Pin-qiang, ZHENG Yao-dong. Effect of Co content on structures and mechanical properties of electrodeposited nanocrystalline Ni-Co alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(1):92?100.

[8] WEI H, HIBBARD G D, PALUMBOB G, ERB U. The effect of gauge volume on the tensile properties of nanocrystalline electrodeposits[J]. Scripta Materialia, 2007, 57(11): 996?999.

[9] KODANDARAMA L, KRISHNA M, MURTHY H, SHARMA S C. Development and characterization of electrodeposited nickelbased composites coatings[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2012, 21(1): 105?113.

[10] Xia F, Xu H, Liu C, Wang J, Ding J, Ma C. Microstructures of Ni-AlN composite coatings prepared by pulse electrodeposition technology[J]. Applied Surface Science, 2013, 271(5): 7?11.

[11] Kumark A, Kalaignan G P, Muralidharan V S. Direct and pulse current electrodeposition of Ni-W-TiO2nanocomposite coating[J]. Ceramics International, 2013, 39(3): 2827?2834.

[12] SUCHENTRUNK R. Metal matrix composites produced byelectroplating[C]// Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings. Netherland: Kluwer Academic Publishers, 2004: 241?250.

[13] Kuboyama K, Ishibashi T, Uchio S. Fabrication of metal matrix composites by electroforming technique[J]. International Journal of Materials and Product Technology, 2001, 16(1/3): 67?73.

[14] 羅學(xué)濤, 吳清良, 黃前軍, 陳立富. 電化學(xué)方法制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的初步研究[J]. 廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 42(6): 746?749. LUO Xue-tao, WU Qing-liang, HUANG Quan-jun, CHEN Li-fu. Investigated of fiber reinforced metallic matrix composites prepared by electrochemical method[J]. Journal of Xiamen University (Natural Science), 2003, 42(6): 746?749.

[15] 張國定, 趙昌正. 金屬基復(fù)合材料[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 1996: 2?3. ZHANG Guo-ding, ZHAO Chang-zheng. Metal matrix composites[M]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University Press, 1996: 2?3.

[16] BUDEVSKI E, STAIKOV G, LORENZ W J. Electrocrystallization: Nucleation and growth phenomena[J]. Electrochimica Acta, 2000, 45(15): 2559?2574.

[17] ARMSTRONG R W. 60 years of Hall-Petch: Past to present nano-scale connections[J]. Materials Transactions, 2014, 55(1): 2?12.

[18] TZOUNIS P N, GERGIDIS L N, MATIKAS T E, CHARALAMBOPOULOS A. Mathematical investigation of interfacial property in fiber reinforced model composites[J]. Composites: Part B, 2012, 43(6): 2605?2612.

(編輯 王 超)

Influence of flexible compression on microstructure and tensile strength of W fiber reinforced Ni composites by electroforming

QIAN Wang-huan, MIAO Xiao-mei, QIN Feng

(School of Mechanical Technology, Wuxi Institute of Technology, Wuxi 214121, China)

During the electroforming of W fiber?Ni composites, the flexible compression wheel was applied to replenish the electrodeposition region with fresh solution and polish the deposition, which leads to the composites with higher tensile strength. The influences of flexible compression on the surface morphology, fracture morphology and tensile strength of the electroformed W fiber?Ni composites were investigated. The results show that the surface porosity and grain size of the depositions are reduced due to the friction and extrusion from the flexible compression wheel; the effect of solution supplement by the flexible compression wheel can prevent the generation of the internal voids; flexible compression can obviously increase the tensile strength of the composite, especially at high W fiber volume fraction. When the volume fraction of the W fiber is 50%, the W fiber?Ni composite electroformed with flexible compression shows the highest tensile strength of 1558 MPa, which is improved by 18%.

flexible compression; electroforming; tensile strength; W fiber; nickel

Project(51505192) supported by National Natural Science Foundation of China;Project supported by Science and Technology Innovation Team of Jiangsu Provincial University, China; Project supported by Qinglan Project of Jiangsu Province, China

2016-02-24; Accepted date:2016-06-30

QIAN Wang-huan; Tel: +86-510-81838721; E-mail:qianwanghuan@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.04.014

1004-0609(2017)-04-0776-05

TG662

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51505192)；江蘇高等學(xué)校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目；江蘇省高校“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)項(xiàng)目

2016-02-24；

2016-06-30

錢王歡，講師，博士；電話：0510-81838721；E-mail: qianwanghuan@163.com