電沉積Ni-Co納米鍍層熱穩(wěn)定性研究及低溫擴散連接應(yīng)用

王國峰，劉永康，陳玉清，張靖軒，王月林

先進焊接與連接

電沉積Ni-Co納米鍍層熱穩(wěn)定性研究及低溫擴散連接應(yīng)用

王國峰1a,1b，劉永康1a,1b，陳玉清1a,1b，張靖軒1a,1b，王月林2

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院；b. 金屬精密熱加工國防重點試驗室，哈爾濱 150001；2. 沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽 110013）

研究不同Co含量電沉積Ni-Co納米鍍層的熱穩(wěn)定性能及其擴散連接應(yīng)用效果。在TC4鈦合金表面電沉積Ni-Co鍍層，改變鍍液中Co含量（0、5、20 g/L），利用金相顯微鏡（OA）和透射電鏡（TEM）觀察分析鍍層800 ℃熱處理前后的微觀組織。在真空擴散設(shè)備中進行TC4鈦合金低溫擴散連接（800 ℃、1 h），利用萬能拉伸機檢測擴散連接接頭的剪切性能。添加Co元素不僅能夠減小鍍層晶粒至19.2 nm，還能夠提高其熱穩(wěn)定性能。純鎳鍍層在800 ℃熱處理5 h后晶粒長大至17.2 μm，而Ni-20 g/L Co鍍層晶粒在相同條件下僅長大到10.5 μm且生長初期并未發(fā)現(xiàn)異常長大晶粒。以2.5 μm厚的Ni-Co鍍層為中間層進行TC4鈦合金低溫擴散連接，接頭剪切強度高達543.4 MPa。Co元素的添加降低了晶界能量，提高了Ni-Co鍍層的熱穩(wěn)定性能；作為TC4鈦合金擴散連接的中間層，提高了原子的擴散系數(shù)，實現(xiàn)了TC4鈦合金低溫擴散連接，對工程應(yīng)用具有重要意義。

電沉積；Ni-Co納米鍍層；熱穩(wěn)定性；低溫擴散連接

納米材料因其結(jié)構(gòu)單元尺寸在100 nm以內(nèi)，所以晶體界面的體積分數(shù)占比較大，當晶粒尺寸為5 nm左右時，晶界的體積分數(shù)甚至達到50%。與粗晶金屬相比，納米晶金屬材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，如硬度、強度、耐磨性、低溫超塑性等[1-4]。納米材料的研究在材料科學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注，但納米晶粒在高溫下極易長大，從而導(dǎo)致納米材料喪失自身特性，這是由于納米材料內(nèi)部晶間缺陷比較高，與晶內(nèi)結(jié)構(gòu)相比，晶界儲存著較高的能量，晶界原子處于不穩(wěn)定的躍遷狀態(tài)，在低能條件下就可能發(fā)生擴散，宏觀表現(xiàn)為晶界擴展、晶粒長大[5]。Lu[6]總結(jié)了純金屬Ni、Cu、Fe、Al晶粒粗化溫度相對熔點溫度的歸一化值與初始晶粒尺寸的關(guān)系，表明材料晶粒尺寸越小，晶粒的粗化溫度越低。Cu和Ag的納米結(jié)構(gòu)材料甚至在室溫下就會自發(fā)地發(fā)生晶粒長大行為[7-9]。納米材料的這種結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定特性已經(jīng)嚴重阻礙了其在高溫環(huán)境中的應(yīng)用，限制了其快速發(fā)展，因此提高納米材料的熱穩(wěn)定性是十分必要與急迫的。

提高納米結(jié)構(gòu)材料熱穩(wěn)定性的本質(zhì)是抑制晶界的遷移，從熱力學(xué)角度可以通過降低晶界儲存能，從而減少晶粒生長的驅(qū)動力，例如在晶界處通過偏析其他溶質(zhì)元素來降低晶界能，或通過增加孿晶界、小角晶界及共格晶界等低能晶界的體積分數(shù)以達到降低納米材料晶界能的目的[10-12]。Budka等[13]研究發(fā)現(xiàn)，稀土元素Re可以在Ni鍍層晶粒的晶界處偏聚，從而降低納米Ni鍍層的晶界能，提高其熱穩(wěn)定性能。Chauhan等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)，納米純Ni晶粒處于高能狀態(tài)，晶界處的原子十分活躍，極易發(fā)生晶粒長大，其起始溫度一般為220～310 ℃。Hibbard等[16]認為純凈的Co金屬在室溫下是hcp晶格結(jié)構(gòu)，與fcc結(jié)構(gòu)的Ni晶粒相比具有較高的熱穩(wěn)定性能。Lu等[17-18]采用表面機械研磨（Surface Mechanical Grinding Treatment，SMGT）的處理方法提高了銅或鎳等金屬材料的孿晶及小角晶界的體積分數(shù)，促使晶界自發(fā)演變?yōu)榈湍軕B(tài)。

納米材料的晶界體積分數(shù)較高，具備極大的擴散系數(shù)，為原子快速擴散提供了通道[19-20]。在擴散連接過程中，納米材料的高比表面能可以降低焊接過程中的能量需求，有利于促進擴散過程、提高焊接質(zhì)量、減少擴散時間和降低擴散溫度[21-23]?；谶@些優(yōu)勢，表面沉積納米化鍍層已經(jīng)成為金屬擴散焊接的重要輔助手段。

文中通過在TC4鈦合金表面電沉積納米Ni-Co鍍層并對其熱穩(wěn)定性能開展研究，分析了鍍液中不同Co含量對Ni-Co鍍層微觀組織及熱穩(wěn)定性能的影響規(guī)律，尋求提高納米鎳鈷電沉積層熱穩(wěn)定性的有效方法。以Ni-Co鍍層為中間層開展TC4鈦合金低溫擴散連接試驗，分析表面電沉積技術(shù)降低鈦合金擴散連接溫度的原因。

1 試驗

在TC4鈦合金表面電沉積Ni-Co鍍層，以該鍍層為中間層在真空環(huán)境中擴散連接TC4鈦合金板材，溫度設(shè)定為800 ℃，擴散連接壓力為3 MPa，連接時間為1 h。電沉積設(shè)備主要由脈沖電源、磁攪拌裝置和電沉積槽組成。電沉積實驗參數(shù)如下：溫度為50 ℃，電流密度為2.0 A/dm2，時間為7.5 min。電解液中含有試劑Ni(NH2SO3)2·4H2O、NiCl2·6H2O、H3BO3、C7H5NO3S、C12H25NaSO4S，其含量分別為300、15、30、1、1 g/L，也還有Co(NH2SO3)2·4H2O，其含量分別為0、5、20 g/L。在沉積之前，TC4板材用240#、400#、1200#、2000#的SiC紙打磨，隨后將其在體積分數(shù)30%的氫氟酸溶液中洗滌3 min達到活化表面的目的，然后用丙酮和蒸餾水沖洗。電沉積過程結(jié)束后，樣品在乙醇中清洗2 min。對電沉積Ni-Co鍍層進行熱處理試驗，溫度設(shè)定為800 ℃，時間設(shè)定為10、20、30、90、180、300 min，對電沉積鍍層熱處理前后的微觀組織進行觀察分析。采用金相顯微鏡（Metallographic Microscope，OM）觀察顯微組織，采用X射線衍射儀（X-Ray Diffractomer，XRD）觀察Ni-Co納米晶鍍層的晶體結(jié)構(gòu)，工作電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描速度為5 (°)/min。通過透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）觀察鍍層的納米晶尺寸及形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 Ni-Co鍍層的制備

圖1為不同Co含量的Ni-Co鍍層透射微觀組織及掃描能譜（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS），從透射明場像可以判斷出鍍層的晶粒十分細小且分布均勻。晶粒尺寸隨著Co元素含量的增加而減小，這說明Co元素對晶粒有細化作用。圖1a中的環(huán)狀衍射斑點再次說明了鍍層晶粒為納米級結(jié)構(gòu)。圖1b為純鎳納米鍍層的能譜分析結(jié)果，只存在Ni元素的高強譜峰。圖1c和圖1e分別是Co含量為5 g/L和20 g/L時Ni-Co鍍層的明場像，其對應(yīng)的能譜圖為圖1d和圖1f。Co元素的能譜峰值增強而Ni元素的峰強度對應(yīng)降低，這說明Co元素固溶到Ni基體中，充當溶質(zhì)作用，同時沉積形成Ni-Co鍍層。

圖1 Ni-Co鍍層的透射微觀組織及能譜分析

圖2為Ni-Co鍍層的晶粒尺寸與鍍層中Co元素占比。純Ni鍍層的晶粒略大，平均尺寸為26.7 nm。當鍍液中Co含量增加至5 g/L時，晶粒尺寸略微降低至22.5 nm，鍍層的EDS分析結(jié)果顯示，Co元素的原子數(shù)分數(shù)為5.44%，高于鍍液中Co元素名義含量1.75%（Co的原子數(shù)分數(shù)/Co與Ni的原子數(shù)分數(shù)之和）。隨著Co含量進一步增加至20 g/L，平均晶粒尺寸最小約為19.2 nm，此時鍍層中Co元素的原子數(shù)分數(shù)為11.46%，同樣高于鍍液中Co元素名義含量7.0%。這是因為Ni原子的析出電位是?0.246 V，Co原子的析出電位是?0.277 V，在電沉積過程中，Co原子更容易從鍍液中沉積到陰極上，所以實際Ni-Co鍍層中Co含量更高。分析各鍍層平均晶粒尺寸，Co元素能夠降低電沉積鎳鍍層的晶粒大小，隨著鈷含量的增加，晶粒尺寸隨之減小，但過高的Co含量易造成鍍層的脆化，影響其綜合性能，所以文中Co含量僅添加至20 g/L。

2.2 Ni-Co鍍層的熱穩(wěn)定性研究

圖3a為Ni-Co鍍層XRD圖譜，Ni-20 g/L Co鍍層的（111）衍射峰的晶面強度最高，（111）晶面是面心立方晶體的密排面，晶粒優(yōu)先在密排面上生長可以降低總表面能[23-25]。低能界面能夠構(gòu)建更加非穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)，從而抑制晶粒長大。不同Co含量的Ni-Co鍍層經(jīng)800 ℃、1.5 h的熱處理后，（220）晶面基本消失，同時各個晶面的特征峰變得尖銳，半峰寬降低，說明晶粒增長明顯。圖3b為Ni-Co鍍層主強峰的放大圖，對比發(fā)現(xiàn)，熱處理后鍍層的衍射峰都大幅度變窄，其中純鎳鍍層的特征峰最尖銳，說明晶粒長大情況更加嚴重，晶粒增長速度最快，熱穩(wěn)定性能最差。含有Co元素鍍層熱處理后的半峰寬大于純Ni鍍層的半峰寬，說明其晶粒更小。由于Co元素固溶到Ni基體中晶格應(yīng)變增加，導(dǎo)致晶面間距變大，衍射峰逐漸向左偏移。

圖2 Ni-Co鍍層納米晶粒尺寸及鍍層Co元素占比

圖3 Ni-Co鍍層的XRD圖

將純Ni鍍層與Ni-20 g/L Co鍍層在800 ℃下退火處理不同時間，深入研究退火時間對納米鍍層晶粒長大的影響，對比各試樣晶粒尺寸變化，分析Co元素對Ni-Co鍍層晶粒生長的抑制作用。圖4為純Ni鍍層熱處理后的金相組織，可以看出，晶粒尺寸分布極不均勻，各個溫度下均存在異常長大的晶粒。當熱處理時間僅為30 min時，異常長大晶粒尺寸約為7.4 μm，鍍層平均晶粒尺寸為4.8 μm。隨著熱處理時間增長至90 min，晶粒仍然快速長大，小晶粒圍繞著異常晶粒分布，個別異常晶粒尺寸甚至達到20 μm左右。由于晶界擴張，驅(qū)動力與晶粒半徑成正比，當熱處理時間為180 min時，異常晶粒的增長驅(qū)動力變?nèi)酰鲩L速度減緩；小晶粒依然快速生長，所有晶粒間的尺寸差異減小，平均晶粒尺寸為13.7 μm。繼續(xù)增加熱處理時間至300 min，由于沒有第二相粒子或其他溶質(zhì)元素的限制作用，鍍層晶粒尺寸進一步增加，約為17.2 μm。這說明在高溫下，純Ni納米晶粒的熱穩(wěn)定性較差，容易長大。

圖4 純Ni鍍層800 ℃熱處理金相組織

圖5為Ni-20 g/L Co鍍層熱處理后的金相組織，熱處理30 min后，鍍層晶粒尺寸仍比較均勻，未有明顯的異常長大晶粒出現(xiàn)，平均晶粒尺寸約為1.8 μm。熱處理時間增加至90 min時，可以觀察大異常長大晶粒，最大尺寸為5.4 μm。鍍層在800 ℃保溫180 min與300 min時，對應(yīng)的平均晶粒尺寸分別為7.8 μm和10.5 μm。與圖4相比，相同熱處理條件下的Ni-20 g/L Co鍍層晶粒尺寸明顯減小，這是因為單質(zhì)純Ni晶界能量較高，Ni原子處于高能狀態(tài)容易自發(fā)擴散，導(dǎo)致晶粒長大；而Co元素固溶到Ni基體中，形成Ni-Co合金鍍層，降低了晶界能量，降低了晶界擴張驅(qū)動力，提高了納米材料的熱穩(wěn)定。

圖5 Ni-20 g/L Co鍍層800 ℃熱處理金相組織

為了進一步探究Ni-20 g/L Co鍍層晶粒從納米級向微米級的轉(zhuǎn)變過程，熱處理溫度保持800 ℃不變，縮短保溫時間為10、20、30 min。利用透射電子顯微鏡對熱處理后鍍膜微觀組織進行觀察，如圖6所示。熱處理10 min后，鍍層晶粒仍然為納米級，晶粒均勻未出現(xiàn)異常長大晶粒，晶粒由19.2 nm長大到686 nm；熱處理20 min后，鍍層晶粒由納米級轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒚准?，平均晶粒尺寸?.3 μm；延長熱處理時間至30 min，晶粒長大到1.7 μm，該晶粒尺寸與圖5a觀察到的試驗結(jié)果一致。熱處理時間在30 min以內(nèi)，鍍層均發(fā)現(xiàn)了部分孿晶結(jié)構(gòu)，孿晶晶粒在高溫下相對穩(wěn)定，晶界處于低能狀態(tài)，這也是Ni-Co鍍層熱穩(wěn)定性能較好的原因之一。

圖6 Ni-20 g/L Co鍍層800 ℃熱處理透射組織

基于不同熱處理時間參數(shù)下Ni-20 g/L Co鍍層納米晶粒演變規(guī)律，根據(jù)經(jīng)典的晶粒長大動力學(xué)方程對其長大行為進行定量分析，晶粒長大動力學(xué)方程可以用式（1）表示：

式中：D為熱處理時間條件下的平均晶粒尺寸（nm）；0為原始鍍層晶粒尺寸（nm）；為晶粒長大指數(shù)；為材料常數(shù)，取決于溫度。

根據(jù)圖5和圖6中的晶粒尺寸擬合800 ℃鍍層晶粒生長曲線，如圖7所示，和分別為1.42與31.53。值低于粗晶材料常見的晶粒長大指數(shù)2，這是因為納米晶粒的晶粒長大驅(qū)動力較高，晶界不穩(wěn)定。電沉積Ni-Co鍍層中的孿晶結(jié)構(gòu)及晶界處的Co元素偏聚都能降低材料自身的晶界能，抑制晶粒長大，提高其熱穩(wěn)定性能。

圖7 Ni-20 g/L Co鍍層晶粒尺寸擬合

2.3 Ni-Co鍍層的擴散連接應(yīng)用

選擇Ni-20 g/L Co納米鍍層作為TC4鈦合金低溫擴散連接中間層，電沉積時間為7.5 min，此時鍍層厚度為2.5 μm，擴散溫度設(shè)定為800 ℃，壓力為3 MPa，保溫1 h。擴散連接接頭的微觀組織如圖8a所示。在連接界面處沒有任何孔洞的存在，TC4基體焊合良好，鍍層中的Ni原子、Co原子完全擴散到基體中，無殘余鍍層存在。剪切強度高低是評價焊接質(zhì)量的重要指標，將擴散連接接頭在室溫條件下進行剪切性能測試，剪切強度為543.4 MPa，如圖8b所示。根據(jù)第2.2節(jié)中Ni-Co鍍層熱處理分析結(jié)果，Co元素提高了鍍層的熱穩(wěn)定性能，即使擴散30 min后其晶粒尺寸依然小于2 μm，仍具有較高的晶界體積分數(shù)。晶界作為原子擴散的通道更有助于Ti原子的擴散，所以能夠促使TC4鈦合金在低溫下實現(xiàn)擴散連接。

圖8 Ni-Co納米鍍層為中間層的TC4合金低溫擴散連接

3 結(jié)論

通過電沉積方法制備了納米晶Ni-Co鍍層，分析了Co含量對Ni-Co鍍層微觀組織及熱穩(wěn)定性能的影響規(guī)律，以Ni-Co鍍層為中間層實現(xiàn)了TC4鈦合金低溫擴散連接，得出以下結(jié)論。

1）Co元素的添加能夠降低Ni-Co鍍層的晶粒尺寸，當Co含量為20 g/L時，鍍層的平均晶粒尺寸最小，約為19.2 nm。在電沉積過程中Co原子比Ni原子沉積更快，實際Ni-Co鍍層中Co含量略高于鍍液中Co的含量。

2）在800 ℃條件下，純Ni鍍層熱處理30 min后發(fā)現(xiàn)異常長大晶粒，熱處理300 min后晶粒長大到17.2 μm；Ni-Co鍍層熱處理30 min后未發(fā)現(xiàn)異常長大晶粒，平均晶粒尺寸僅為1.8 μm，保溫300 min后，晶粒尺寸約為10.5 μm。Ni-Co鍍層中含有部分低能的孿晶結(jié)構(gòu)，另外Co元素通過在晶界處偏聚降低了其晶界能，均提高了Ni-Co鍍層的熱穩(wěn)定性能。

3）以2.5 μm厚Ni-Co鍍層為中間層，在800 ℃、3 MPa條件下進行TC4鈦合金低溫擴散連接試驗，擴散界面連接緊密且鍍層擴散完全，剪切強度為543.4 MPa。電沉積納米Ni-Co鍍層提高了擴散界面的原子擴散速率，實現(xiàn)了TC4鈦合金的低溫擴散連接。

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Investigation on Thermal Stability of Electrodeposited Ni-Co Nano-coating and Application in Low Temperature Diffusion Bonding

WANG Guo-feng1a,1b, LIU Yong-kang1a,1b, CHEN Yu-qing1a,1b, ZHANG Jing-xuan1a,1b, WANG Yue-lin2

(1. a. School of Materials Science and Engineering; b. National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2. Shenyang Aircraft Corporation, Shenyang 110013, China)

The work aims to study the thermal stability and diffusion bonding effect of electrodeposited Ni-Co nano-coating with different Co contents. The Ni-Co nano-coating on the matrix of TC4 titanium alloy was electrodeposited by adjusting the content of the Co element (0, 5, 20 g/L) in the plating solution. The microstructure of Ni-Co nano-coating before and after heat treatment at 800 ℃ was observed through metallographic microscope (OM) and transmission electron microscope (TEM). The low-temperature diffusion bonding (800 ℃, 1 h) of TC4 alloy occurred in vacuum diffusion facilities and the shear property was tested with a universal testing machine. The addition of the Co element not only decreased the grain size of Ni-Co coating to 19.2 nm but also improved the thermal stability. The grain size of pure Ni coating treated at 800 ℃ for 5 h reached 17.2 μm. However, the grain size of Ni-Co coating with 20 g/L Co can only grow to 10.5 μm at the same conditions and there was no abnormal growing grain in the early growth stage. The shear strength of the joint can reach 543.4 MPa in the low-temperature diffusion bonding process of TC4 titanium alloy with 2.5 μm thick Ni-Co coating as interlayer. The Co element not only reduces the grain boundary energy of Ni-Co coating but also improves the thermal stability of Ni-Co coating. As an interlayer in the diffusion bonding process of TC4 titanium alloy, the Ni-Co coating improves the diffusing coefficient of the atom, realizes the low-temperature diffusion bonding of TC4 titanium alloy and is of great significance to engineering applications.

electro-deposition; Ni-Co nano-coating; thermal stability; low-temperature diffusion bonding

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.014

TG146.2

A

1674-6457(2022)04-0115-07

2021-12-11

國家科技重大專項（MJZ-2018-G-59）

王國峰（1973—），男，博士，教授，博導(dǎo)，主要研究方向為金屬擴散連接/超塑性成形及有限元模擬。

責任編輯：蔣紅晨