噴射復(fù)合電沉積技術(shù)研究進展

周 鑫，王曉麗，皇 磊，趙紫怡

（江蘇海洋大學 機械工程學院，江蘇 連云港 222005）

隨著時代的快速發(fā)展，制造業(yè)領(lǐng)域從簡易的數(shù)控機床到高精尖設(shè)備均需要使用大量的刀具加工零件，而加工不同零件要使用對應(yīng)的刀具，不同刀具所要求具備的性能各不相同，如：良好的耐磨性能，能經(jīng)長時間加工切削；良好的耐腐蝕性能，在電解質(zhì)溶液或氣體環(huán)境下，不易腐蝕；耐高溫性能，易導(dǎo)熱性能，在切削過程中，刀具持續(xù)高速運轉(zhuǎn)，通過冷卻液沖刷迅速帶走熱量，經(jīng)受住高溫、快速導(dǎo)熱，不發(fā)生變形；抗氧化性能，曝露在空氣中不易發(fā)生氧化反應(yīng)；良好的韌性，硬質(zhì)材料也能輕松切割，不易出現(xiàn)脆性斷裂等現(xiàn)象。依靠提高刀具本身的材料性能達到要求，大大增加了技術(shù)難度和制造成本?？紤]到切削過程中的表面作用是刀具的第一特征，可以通過材料表面改性技術(shù)的方法來賦予刀具的綜合切削性能。采用復(fù)合鍍層技術(shù)可有效提高切削刀具使用壽命，使刀具獲得優(yōu)良的綜合機械性能，從而大幅度提高機械加工效率。復(fù)合鍍層的制備方法較為多樣，技術(shù)方法也不盡相同，現(xiàn)代薄膜被覆的方式其實可以區(qū)分為干式與濕式兩種。干式有化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）、物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）真空鍍膜法等；濕式則包含電化學沉積法、溶膠-凝膠法等。PVD是用物理方法（如蒸發(fā)、濺射等），使鍍膜材料汽化在基體表面，沉積成覆蓋層的方法，CVD 是用化學方法使氣體在基體材料表面發(fā)生化學反應(yīng)并形成覆蓋層的方法，兩種方法需在高溫高能環(huán)境下進行，成本較高。溶膠-凝膠法制備的涂層容易產(chǎn)生微孔，結(jié)合性較差。電化學電沉積方法具有裝置簡單、易控制、低成本、低能耗等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，該技術(shù)的深入研究對提高精密增材制造能力具有十分重要的意義［1］。傳統(tǒng)的電化學沉積方法包括槽鍍方式和噴射方式。而針對表面大小不一、有凹陷、突出和缺損等情況存在的復(fù)雜型工件，就需要采用選擇性和加工定域性（通電中，電解質(zhì)溶液與陰極加工件接觸時發(fā)生還原反應(yīng)，未接觸區(qū)域不發(fā)生反應(yīng)）較好的噴射工藝方法。噴射復(fù)合電沉積（jet composite electrodeposition，JCED）發(fā)展至今，可以在金屬材料表面通過原子量級逐層堆積方式快速電沉積上復(fù)合鍍層，提高工件表面性能，滿足應(yīng)用的要求。噴射復(fù)合電沉積能對大部分金屬工件進行噴鍍，沉積反應(yīng)在常溫、常壓環(huán)境下進行，具有精度高、效率高、成本低的優(yōu)勢。噴射復(fù)合電沉積裝置體積小，但可在噴頭的移動下（噴嘴口直徑一般數(shù)百至數(shù)千納米）對工件表面進行來回噴射，裝置配備旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，噴射電解質(zhì)溶液的同時，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動工件共同完成電沉積。此外，噴射復(fù)合電沉積還可以電沉積工件的缺損部位，對工件進行修復(fù)。因此，探討噴射復(fù)合電沉積法如何高效、精確地制備復(fù)合鍍層具有非常重要的研究意義。

1 噴射復(fù)合電沉積技術(shù)的發(fā)展溯源

噴射復(fù)合電沉積法，是在鑄造和粉末冶金技術(shù)中探索出來的新工藝，有著近60年的發(fā)展歷史。該方法通過對熔融金屬液釋放、霧化、噴射及沉積，以較少的工序直接制備晶粒細小、致密且均勻的材料。1962年，Booker 和Stickler［2］首次通過電解液噴射，對半導(dǎo)體表面進行掃描電化學拋光，研究發(fā)現(xiàn)使用撞擊噴射系統(tǒng)在高速無掩膜微加工中比在大表面積拋光更有優(yōu)勢。1968年，Singer 教授［3］提出噴射軋制技術(shù)原理，首先將熔融狀態(tài)的金屬霧化處理，沉積在旋轉(zhuǎn)基體上，形成沉積坯料，最后軋制成型。1974年，Brooks等［4-6］通過對噴射復(fù)合電沉積的深入研究，成功將Singer教授提出的理論原理，應(yīng)用在鍛造毛坯生產(chǎn)上，發(fā)展成噴射成型工藝，開發(fā)出一系列適于噴射復(fù)合電沉積工藝的材料，拉開了噴射復(fù)合電沉積法制備復(fù)合鍍層的序幕。1980年，英國Aurora 鋼鐵公司進一步研究，開發(fā)出“控制噴射沉積法”，并將這項技術(shù)應(yīng)用在高合金工具鋼的生產(chǎn)上。1997年，Ye 等［7］通過激光強化與噴射技術(shù)在不銹鋼表面電沉積金，二次離子質(zhì)譜（secondary ion mass spectroscopy，SIMS）檢測結(jié)合效果較好。通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）分析得出，適量的激光強度有利于促進復(fù)合鍍層的致密性，調(diào)整噴嘴到不銹鋼表面的距離和電解質(zhì)溶液的流速，都可以改善復(fù)合鍍層的表面形貌與性能。2010年，Tian等［8］在物理場環(huán)境下，采用脈沖電沉積與噴射復(fù)合電沉積技術(shù)相結(jié)合，在45#碳鋼基體上電沉積鎳，當平均電流密度為39.8 A/dm2時，復(fù)合鍍層致密性最佳，納米粒子尺寸最小，硬度最高，耐蝕性最好。2016年，Liu 等［9］借助恒定壓力的滾動噴嘴，導(dǎo)致在電沉積過程中可以抑制粗晶粒的快速生長。通過優(yōu)化參數(shù)，當壓力為5 N 和陰極掃描速度為860 mm/min時，復(fù)合鍍層的表面質(zhì)量最好。2018年，Jiang 等［10］為了提高燒結(jié)釹鐵硼磁體的有效使用壽命，采用磁場輔助噴射復(fù)合電沉積法在釹鐵硼表面制備了Ni-SiC 復(fù)合鍍層，磁場輔助噴射復(fù)合電沉積原理如圖1所示。該方法在噴嘴口處添加了水平方向的磁場，通過與豎直方向的電場的結(jié)合，改變了垂直吸附趨勢，產(chǎn)生了水平方向的旋轉(zhuǎn)力，起到了輕微攪拌加工區(qū)域的效果，使電沉積工件表面產(chǎn)生的氣泡和雜質(zhì)得到?jīng)_洗，提高了工件表面的平整度。磁場對電解質(zhì)溶液中離子的影響，改善了傳統(tǒng)噴射復(fù)合電沉積中最可能出現(xiàn)的邊緣效應(yīng)。

圖1 磁場輔助噴射復(fù)合電沉積原理圖［10］Fig.1 Schematic diagram of magnetic field assisted jet composite electrodeposition［10］

2 噴射復(fù)合電沉積相對于傳統(tǒng)電沉積的優(yōu)勢

目前復(fù)合電沉積方法有傳統(tǒng)的槽鍍電沉積和新型的噴射復(fù)合電沉積，在對復(fù)雜工件表面進行加工時，槽鍍電沉積存在兩方面的不足：一是面對一些具有凹凸、微孔、缺陷等特殊形狀的工件表面，若采用傳統(tǒng)電化學沉積法，電沉積的復(fù)合鍍層內(nèi)部會有大量納米粒子團簇，產(chǎn)生粒子分布不均勻的現(xiàn)象，從而影響復(fù)合鍍層的性能；二是進行傳統(tǒng)電化學沉積時，出現(xiàn)的加工定域性問題無法避免，加工過程中電沉積區(qū)域與非電沉積區(qū)域之間難以劃分清晰界線。

相較之下，噴射復(fù)合電沉積法是一種全新特種加工技術(shù)，具有高極限電流和選擇性噴射的優(yōu)點。裝置內(nèi)的電解質(zhì)溶液，通過攪拌器攪拌和液體循環(huán)流動，使納米粒子在裝置內(nèi)均勻分布，減少電解質(zhì)溶液中第二相的聚集。通過高速噴射有效地減小了擴散層厚度，顯著改善了極限電流，可用于復(fù)雜表面材料的電沉積。此外，噴射復(fù)合電沉積技術(shù)還有助于減少電極材料耗損率和提高加工精確性［11］。電沉積的加工零件可以是平面、圓柱，也可以是凸起或微孔形狀，不易受到加工零件形狀的影響。Zhang 等［12］通過噴射復(fù)合電沉積裝置，向滾動的圓軸表面噴射電解質(zhì)溶液，來探究電沉積制備復(fù)合鍍層的性能。實驗結(jié)果表明，當工件轉(zhuǎn)速為4.186 mm/s時，摩擦系數(shù)最小，復(fù)合鍍層表面硬度不隨轉(zhuǎn)速快慢而發(fā)生變化。Wang等［13］為了提高發(fā)動機氣缸的使用壽命，采用噴射復(fù)合電沉積方法在發(fā)動機表面電沉積復(fù)合鍍層，凹凸表面被均勻電沉積上一層Ni-P 合金復(fù)合鍍層，耐腐蝕性能得到加強，是傳統(tǒng)電沉積技術(shù)制備效果的5～6 倍。Gong［14］將噴射復(fù)合電沉積技術(shù)應(yīng)用于多孔金屬材料表面，用金屬鎳納米離子溶液作為電解質(zhì)溶液，電沉積后使得金屬材料表面孔的尺寸及形貌發(fā)生改變，通過研究金屬表面微觀形貌，發(fā)現(xiàn)復(fù)合鍍層性能得到提高，最終投入生產(chǎn)。綜上所述，噴射復(fù)合電沉積法解決了第一方面的不足，即由工件表面形狀復(fù)雜導(dǎo)致的復(fù)合鍍層中納米粒子分布不均勻及團簇的現(xiàn)象。

噴射復(fù)合電沉積技術(shù)在制備復(fù)合鍍層方面還具有其他優(yōu)勢，如結(jié)合3D 打印技術(shù)，可以精確選擇噴鍍區(qū)域和精準控制復(fù)合鍍層厚度等，并且結(jié)合脈沖電源、噴頭設(shè)計和掃描路徑等參數(shù)的調(diào)控，可進一步精確制備復(fù)合鍍層。將噴射復(fù)合電沉積的噴嘴裝置與3D 打印技術(shù)相結(jié)合，噴嘴在G 代碼程序下，沿著X、Y、Z軸移動，按照設(shè)定的路線噴射圖案，加工定域性問題就得以解決，且電沉積效率可顯著提高。噴射復(fù)合電沉積法可實現(xiàn)傳統(tǒng)電沉積法難以電沉積及不可電沉積的效果，同時電沉積復(fù)合鍍層的成本大幅降低。Chen 等［15］用噴射復(fù)合電沉積技術(shù)在磁場力作用下制備微納米級的多層結(jié)構(gòu)，可在復(fù)雜表面選擇性地電沉積圖案。Kim等［16］提出選擇性銅金屬化技術(shù)，經(jīng)歷三個步驟，電子束蒸發(fā)，在材料表面形成種子皮、快速噴射復(fù)合電沉積金屬圖案及種子皮的去除。通過調(diào)節(jié)噴射壓力、電流強度、電解質(zhì)溶液濃度等來控制電沉積圖案的寬度和高度，該技術(shù)可應(yīng)用在復(fù)雜材料表面用于制備復(fù)合鍍層圖案，實驗裝置如圖2所示。

圖2 噴射復(fù)合電沉積實驗裝置［16］Fig.2 Jet electrodeposition experimental device ［16］

圖3 復(fù)合鍍層特征SEM圖像［17］Fig.3 SEM feature image of composite coating ［17］

2015年，Rajput等［17］通過建立相關(guān)數(shù)學模型，使用高速選擇性噴射復(fù)合電沉積進行微觀電沉積，獲得了性能更好的可選擇性復(fù)合鍍層，鍍層效果如圖3所示。

3 不同工藝參數(shù)對復(fù)合鍍層的影響

噴射復(fù)合電沉積法制備復(fù)合鍍層時，可以通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)（如：電流密度［18］、粒子濃度［19］、供電電源［20］、添加粒子分散劑［21］、電解質(zhì)溶液流率［22］、噴嘴結(jié)構(gòu)［23］、電解質(zhì)溶液溫度［24］等）來影響復(fù)合鍍層的性能及表面形貌。其中，對鍍層性能影響較大的因素為電流密度、供電電源、噴嘴流率和噴嘴結(jié)構(gòu)，下面就這些因素展開說明。

3.1 電流密度

納米顆粒沉積在鍍層中，電流密度會影響到晶粒生長，晶粒生長過快或過慢都不利于增加鍍層中的納米顆粒含量。在噴嘴口處，若是兩極板間的電流密度過大，會產(chǎn)生較強的電場，增強陰極板對粒子的吸附作用，能捕獲更多納米粒子，使鍍層中的納米粒子含量增加，但同時陰極端析氫反應(yīng)也會加劇，又會減少納米顆粒沉積，最終影響復(fù)合鍍層的性能。

Zhang 等［25］通過改變陰極電流密度，探究刀具表面電沉積Co-Ni-Cr-C 復(fù)合鍍層的性能。通過對比實驗發(fā)現(xiàn)，電流密度增大時，復(fù)合鍍層里Cr3C2納米顆粒質(zhì)量分數(shù)也增大，電流密度持續(xù)增大到40 A/dm2時，納米顆粒質(zhì)量分數(shù)達到峰值，占12.05%，此時有最大涂層硬度585 HV0.05和最低磨損體積。不同電流密度下復(fù)合鍍層的硬度曲線如圖4所示。

圖4 電流密度對Co-Ni 復(fù)合鍍層和Co-Ni-Cr3C2納米復(fù)合鍍層顯微硬度的影響［25］Fig.4 Effect of current density on the microhardness of Co-Ni composite plating and Co-Ni-Cr3C2 nanocomposite plating［25］

Wang［26］采用0.3 mm 噴嘴在噴射復(fù)合電沉積法下，進行微細金屬增材制造研究，分析在不同電流密度下制備的圓柱狀金屬鍍層性能的變化。實驗得出，隨著電流密度增加，相同時間下圓柱狀金屬鍍層直徑變小、高度變長、生長速度加快，當電流密度超過500 A/dm2時，電沉積的金屬鍍層向上枝晶狀生長，硬度呈先增后減的趨勢。電流密度在400 A/dm2時，圓柱狀金屬鍍層硬度達到最大2.23 GPa，耐蝕、耐磨性能也最佳。Ye 等［27］采用噴射復(fù)合電沉積法在黃銅表面制備Co-Ni 合金復(fù)合鍍層，研究不同電流密度下制備的復(fù)合鍍層的表面形貌及性能。結(jié)果表明，電流密度逐漸增大時，復(fù)合鍍層中的納米粒子先細化后粗化，電流密度低于60 A/dm2時，復(fù)合鍍層表面呈平整、細膩結(jié)構(gòu)，但高于60 A/dm2時會出現(xiàn)團簇現(xiàn)象。

3.2 供電電源

噴射復(fù)合電沉積法如果持續(xù)使用高強度的電流制備復(fù)合鍍層，那么復(fù)合鍍層表面會很容易出現(xiàn)麻點、燒焦等現(xiàn)象。為了克服高電流對復(fù)合鍍層帶來的負面影響，有學者嘗試改變供電方式，用脈沖電源替代傳統(tǒng)直流電源，改善復(fù)合鍍層的表面形貌和性能。Zhao 等［28］利用噴射復(fù)合電沉積法制備Ni/Al2O3復(fù)合鍍層，比較了直流電源供電和脈沖電源供電對復(fù)合鍍層機械性能和抗蝕性能的影響，結(jié)果顯示脈沖電源供電方式制備的復(fù)合鍍層，耐蝕、耐磨等性能較好。Tian等［29］分別研究脈沖電源與直流電源工藝下制備的Ni-Al2O3納米復(fù)合鍍層，得出同樣結(jié)果，即采用電泳-脈沖電沉積法制備的復(fù)合鍍層，微觀形貌下的納米粒子更細膩，鍍層的耐蝕、耐磨性能更好。該結(jié)果再次驗證改變傳統(tǒng)直流供電方式，會使復(fù)合鍍層的表面形貌和性能得到改善。Wang 等［30］利用噴射復(fù)合電沉積技術(shù)制備Ni/CeO2復(fù)合鍍層，在原有的直流電源供電基礎(chǔ)上改進了陰極間歇旋轉(zhuǎn)和交錯沉積的新方法，研究了納米粒子濃度對復(fù)合鍍層表面質(zhì)量、含有的納米粒子數(shù)、組織形貌及耐磨、耐蝕性能的影響。圖5 為實驗裝置原理圖，實驗結(jié)果得到了4.76 wt.%復(fù)合鍍層顆粒含量，高于傳統(tǒng)噴射復(fù)合電沉積得到的4.25 wt.%，復(fù)合鍍層表面光整度提高，同時抗蝕、抗磨性能提高。

圖5 噴射復(fù)合電沉積技術(shù)制備Ni與CeO2顆粒復(fù)合鍍層的原理圖［30］Fig.5 Schematic diagram of the preparation of Ni and CeO2 particle composite plating by jet composite electrodeposition［30］

3.3 噴嘴流率

噴射復(fù)合電沉積使用不同的噴嘴，能對應(yīng)改變電解質(zhì)溶液的流率快慢，從而影響復(fù)合鍍層中納米顆粒的含量。增大流率，傳輸?shù)疥帢O板間的金屬離子濃度增加，經(jīng)過還原反應(yīng)形成納米顆粒，鑲嵌在復(fù)合鍍層中的納米粒子數(shù)量也增加。當流率過大時，電解質(zhì)溶液和納米粒子對鍍層表面正在鑲?cè)氲募{米粒子造成的沖擊作用加劇，減少納米粒子鑲嵌，鍍層孔洞增多。

Xia 等［31］采用脈沖噴射復(fù)合電沉積法（jet pulse electrodeposition，JPED）制備Ni/TiN 復(fù)合鍍層，所用TiN 顆粒大小為25 nm，濃度為7 g/L 的電解質(zhì)溶液。圖6 為不同流率下制備的復(fù)合鍍層的顯微硬度曲線，反映了不同噴嘴流率下制備的復(fù)合鍍層的性能。研究結(jié)果表明，流率是影響復(fù)合鍍層中納米粒子含量的關(guān)鍵因素，當流率加快時復(fù)合鍍層中納米顆粒含量增加，流率達到3 m/s 時，復(fù)合鍍層中的TiN 含量達到最大、硬度最高，流率持續(xù)提高，較大的液流沖擊力會把表面吸附不牢固的顆粒帶走，導(dǎo)致復(fù)合鍍層中納米顆粒含量降低。

圖6 JPED沉積的Ni-TiN納米鍍層的顯微硬度曲線［31］Fig.6 Microhardness curves of the JPED-deposited Ni-TiN nanocoatings［31］

Tang［32］等用噴射復(fù)合電沉積法制備了Co-Ni 復(fù)合鍍層，探究了電解質(zhì)溶液流率對復(fù)合鍍層性能的影響。結(jié)果表明，隨著流率逐漸提高，Co-Ni 復(fù)合鍍層中的納米晶粒逐漸細化，Co 元素的質(zhì)量分數(shù)增大，細化的納米晶粒使合金鍍層硬度和耐磨性能得到加強。當電解質(zhì)溶液流率在4.5 L/min 時，復(fù)合鍍層的顯微硬度和耐磨性能達到最佳狀態(tài)。Wang［33］等通過噴射復(fù)合電沉積制備Co-Cr3C2復(fù)合鍍層，探討噴嘴流率的變化對復(fù)合鍍層的影響，得出同樣結(jié)論，隨著噴嘴流率提高，復(fù)合鍍層內(nèi)含有的顆粒量先增加后減少，復(fù)合鍍層的硬度與耐磨性能先增強后減弱。

3.4 噴嘴結(jié)構(gòu)

噴射復(fù)合電沉積在制備復(fù)合鍍層時，是通過一定直徑的圓柱形噴嘴將金屬離子直接電沉積在工件表面，由于電解質(zhì)溶液的沖擊作用，導(dǎo)致陰極表面溶液流速變化較大，形成中間厚、邊緣薄的鍍層。為了解決這個問題，有學者嘗試改變噴嘴口直徑大小或噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)，來探究其對復(fù)合鍍層性能的影響。Cui 等［34］研究了不同噴嘴尺寸下電沉積的復(fù)合鍍層的性能，制備了摻雜Ni 粒子的SiC 納米復(fù)合鍍層。實驗發(fā)現(xiàn)，采用直徑為8 mm 的噴嘴電沉積的納米復(fù)合鍍層有更精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)。Yu［35］研究噴射復(fù)合電沉積制備Ni-TiN 納米復(fù)合鍍層時，噴嘴口直徑是主要考慮的影響因素，通過仿真，噴嘴口直徑為6 mm 時制備的鍍層性能最佳，經(jīng)過多次實驗驗證與仿真模擬結(jié)果一致。Zhao［36］采用3種不同的噴嘴結(jié)構(gòu)（圓柱形、圓錐形、圓柱-圓錐-圓柱形）做了對比實驗，噴嘴結(jié)構(gòu)二維圖如圖7所示，通過電沉積制備了Ni-Co-SiC 納米復(fù)合鍍層，研究了超聲波功率、陰極電流密度、噴射流率對Ni-Co-SiC 納米復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，在超聲波功率為200 W、陰極電流密度為40 A/dm2、噴射流率為4.5 L/min 時，所電沉積的復(fù)合鍍層表面致密平整，納米粒子含量最多。其中采用圓柱-圓錐-圓柱形噴嘴結(jié)構(gòu)電沉積的復(fù)合鍍層耐蝕、耐磨性能最好。

圖7 不同噴嘴結(jié)構(gòu)與試件二維模型［36］Fig.7 Different nozzle structures and two-dimensional models of specimens［36］

通過學者們不斷深入的實驗研究，可以得出電流密度、供電電源、噴嘴流率、噴嘴結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性工藝參數(shù)在發(fā)生改變時，都能導(dǎo)致制備的復(fù)合鍍層性能發(fā)生較大的變化。表1列出了部分文獻報道的不同工藝參數(shù)對復(fù)合鍍層性能的影響，總結(jié)了最佳的電沉積參數(shù)，使得復(fù)合鍍層性能最大化提升，可用于優(yōu)化處理復(fù)雜形狀的工件表面。

4 不同物理場對復(fù)合鍍層的影響

采用噴射復(fù)合電沉積法制備具有更高性能的復(fù)合鍍層時，其局限性就顯現(xiàn)出來，主要是鍍層中出現(xiàn)大量氣泡以及納米顆粒團簇。研究發(fā)現(xiàn)，通過外加磁場、超聲波場可以很大程度上緩解氣泡和顆粒團簇現(xiàn)象，提高復(fù)合鍍層性能。下面分別介紹在引入超聲波［37］和磁場［38］物理場因素下，對制備的復(fù)合鍍層微觀組織形貌及性能的影響。

4.1 超聲波

在噴射復(fù)合電沉積裝置中添加超聲波物理場，當超聲功率和脈沖時間發(fā)生變化時，發(fā)射出的超聲波可以起到攪拌金屬離子，去除雜質(zhì)、氣泡和細化晶粒的作用，使制備的復(fù)合鍍層表面更平整、致密，同時提高了復(fù)合鍍層的硬度，耐磨、耐蝕性能。Yang等［39］通過幾組對比實驗，分別采用脈沖電沉積法、噴射復(fù)合電沉積法和超聲-噴射復(fù)合電沉積法在304不銹鋼表面制備了Ni-W/SiC 復(fù)合鍍層，探究了鍍層內(nèi)部組織和性能的變化。結(jié)果表明，按照脈沖、噴射和超聲-噴射復(fù)合電沉積的順序，Ni-W/SiC 復(fù)合鍍層的孔隙率、粗糙度、晶粒尺寸、磨損量、摩擦系數(shù)依次降低，復(fù)合鍍層的平整度依次增加。脈沖電沉積制得的Ni-W/SiC 復(fù)合鍍層表面較粗糙，表面存在較大的SiC 納米顆粒團簇；噴射復(fù)合電沉積法制得的復(fù)合鍍層表面較平整；超聲-噴射復(fù)合電沉積復(fù)合鍍層表面平整性得到顯著提升，原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）測得的復(fù)合鍍層如圖8所示。

圖8 不同沉積方式下Ni-W/SiC復(fù)合鍍層的AFM圖［39］Fig.8 AFM images of Ni-W/SiC composite coatings under different deposition methods［39］

Zheng 等［40］引入脈沖超聲波的噴射復(fù)合電沉積，通過制備Co-Cr3C2復(fù)合鍍層發(fā)現(xiàn)超聲功率和脈沖時間對復(fù)合鍍層組織和力學性能有顯著的影響。連續(xù)超聲模式會導(dǎo)致復(fù)合鍍層中納米顆粒含量降低，脈沖超聲對復(fù)合鍍層中的納米顆粒含量有不同影響，通過實驗得出在20 W 功率4 s 脈沖開啟時間條件下制備的復(fù)合鍍層，具有最高硬度648 HV和最低摩擦系數(shù)0.326，復(fù)合鍍層性能也達到最佳狀態(tài)。Wu 等［41］研究添加超聲波輔助的噴射復(fù)合電沉積法，來制備Ni-Gns 復(fù)合鍍層。結(jié)果顯示，超聲波物理場的添加提高了電沉積效率，改善了復(fù)合鍍層的微觀形貌，粒子間緊密結(jié)合，性能得到提高。

4.2 磁場

噴射復(fù)合電沉積裝置通過與磁場結(jié)合，共同完成復(fù)合鍍層的制備。在磁場環(huán)境下（目前引入的磁場一般在10 T 以下），金屬離子通過噴嘴射向陰極板時改變了原始的垂直路徑，電解質(zhì)溶液噴射到陰極板表面的范圍更寬，也更均勻。但磁場過強、過弱都會影響納米離子在鍍層中的吸附沉積，從而影響最終鍍層效果。

Dong 等［42］研究噴射復(fù)合電沉積法在磁場力作用下，探究碳鋼軸承表面制備的Ni-Co-SiC 薄膜對表面形貌和粒子組成有何影響。結(jié)果得出，在0.8 T磁場力作用下制備的薄膜表面更平坦、致密，有更高的顯微硬度為987.5 HV 和更低的摩擦系數(shù)為0.75。Shen［43］同樣采用磁場輔助噴射復(fù)合電沉積法來制備Ni-P-ZrO2復(fù)合鍍層，同時比較在沒有磁場輔助下制備的復(fù)合鍍層，對比分析復(fù)合鍍層表面的微觀形貌及性能。結(jié)果表明，有磁場輔助制備的復(fù)合鍍層其表面微觀結(jié)構(gòu)，間隙、微裂痕較小，耐蝕、耐磨性能更好。

綜上所述，在添加物理場后，制備的復(fù)合鍍層微觀結(jié)構(gòu)和性能有明顯變化。表2列出了不同物理場下不同參數(shù)值對復(fù)合鍍層的影響，以及電沉積最佳復(fù)合鍍層的參數(shù)，使復(fù)合鍍層的微觀結(jié)構(gòu)和性能最大化提升，進一步優(yōu)化工件表面。

表2 噴射復(fù)合電沉積下不同物理場的比較Tab.2 Comparison of different physics under jet electrodeposition

5 總結(jié)與展望

本文主要概括了應(yīng)用于復(fù)雜形狀工件表面的電沉積方法，綜述了噴射復(fù)合電沉積法的發(fā)展過程，詳細介紹了噴射復(fù)合電沉積法與不同工藝參數(shù)、不同物理場結(jié)合，來提高復(fù)合鍍層的微觀形貌和性能的研究進展，并對噴射復(fù)合電沉積法制備復(fù)合鍍層的前景進行了展望。該技術(shù)具有可選擇性噴鍍、沉積效率高等優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)生產(chǎn)制造、船體底部修復(fù)、刀具加工等領(lǐng)域，有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（1）噴射復(fù)合電沉積法相較于傳統(tǒng)電沉積法在應(yīng)用上更為廣泛，電沉積制備復(fù)雜形狀的工件時更能體現(xiàn)出其優(yōu)勢，電沉積的復(fù)合鍍層表面平整、性能也更好，同時噴射復(fù)合電沉積法制備復(fù)合鍍層的效率是傳統(tǒng)電沉積法的幾十倍之多。

（2）采用噴射復(fù)合電沉積法制備復(fù)合鍍層時，影響到復(fù)合鍍層中納米粒子均勻分布的工藝參數(shù)包括：電流密度、供電電源、噴嘴流率和噴嘴結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵因素。

（3）噴射復(fù)合電沉積法與磁場、超聲波等物理場結(jié)合，電沉積后的復(fù)合鍍層表面平整，硬度、耐磨耗、耐腐蝕等性能得到提升，復(fù)合鍍層中納米粒子含量增加。

但噴射復(fù)合電沉積法存在沉積高度選擇性、電場分布均勻化及沉積畸變化等問題，目前尚未解決，還需要進一步探索。