超聲輔助噴射電沉積Ni鍍層的表面形貌及硬度

譚 俊，吳 迪，高玉琳，鄒 渝，王遠立

(1.裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京100072;2.裝甲兵工程學院科研部，北京100072;3.裝甲兵工程學院訓練部，北京100072)

噴射電沉積是將含有高濃度金屬離子的電解液以高速射流的方式噴向陰極表面進行電沉積的技術。噴射電沉積具有選擇性及沉積速度快的特點，對大型零部件實施局部電鍍，利于工件的基體精確成形。可用于磨損或損傷部位的修復以及盲孔、深孔內的鍍覆［1］。近年來，對噴射電沉積的工藝、沉積層的組織與性能及沉積機理開展了大量的研究，制備出納米晶和納米復合沉積層［2－7］。

超聲波是頻率范圍在20～106 kHz的機械波。超聲波在媒質中傳播時會產生一系列效應，其基本效應有:波動過程本身產生的機械效應，在媒質中傳播時產生的空化效應、熱效應和聲流。當超聲波強度超過一定值時，就可以通過它與傳聲媒質的相互作用，去影響、改變以至破壞后者的狀態、性質及結構［8］。因此，將超聲與電化學方法相結合，可改善電沉積工藝，提高沉積層的性能。孫勇等［9］在電鑄工藝中引入超聲波，研究表明:超聲波可以提高電鑄速率和電流效率，使CeO2納米顆粒更加均勻地彌散于納米復合材料中。制備的納米復合材料的晶粒得到細化，其組織更加均勻致密、表面更平整，納米復合材料的顯微硬度明顯提高。楊培燕［10］研究了超聲波對化學鍍Ni-P鍍層的影響，結果表明:超聲波能有效地降低化學鍍層的孔隙率，提高鍍層的耐腐蝕性能。

本試驗將噴射電沉積技術與超聲振動相結合，在噴射電沉積裝置的基礎上加載超聲設備，通過超聲與非超聲環境的對比，研究了超聲波對噴射電沉積Ni鍍層表面形貌及硬度的影響規律及機理。

1 試驗條件和方法

1.1 試驗設備

圖1為超聲輔助噴射電沉積裝置示意圖。試驗中，超聲裝置與噴射裝置同時固定于數控平臺的斜體軸方向，試樣固定在數控平臺的水平方向，一端固定于數控平臺上，另一端懸空，同時依托數控平臺在水平方向作直線往復循環運動。超聲變幅桿前端壓住試樣懸空端，以保證試樣的高頻諧振。

圖1 超聲裝置示意圖

1.2 工藝參數

試驗所用溶液配方如表1所示。該溶液呈深綠色，pH=4.0，質量密度為 1.20 g/cm3。

試驗工藝參數選擇如下。噴射電沉積參數:電壓為 14 V，陰陽極距離為 4 mm，噴嘴口徑為2.0 mm，噴嘴移動速度為1 m/min;超聲裝置參數:頻率為20 kHz，變幅桿運動速度為1 m/min。

表1 鎳基鍍液的主要成分和濃度

試驗選擇分別在鍍液溫度為20℃和50℃條件下進行。在常溫20℃條件下，無需對鍍液進行加熱，因此此溫度下的研究具有重要意義。鍍液溫度升高時，有利于提高沉積效率，但當溫度較高時，鍍液揮發速度快，不利于鍍層的形成，所以選擇50℃作為另一種試驗溫度。

基體試樣材料為A3鋼，尺寸為85 mm ×30 mm。試樣表面前處理的工藝詳見文獻［2］。

1.3 分析方法

利用Quanta200型掃描電鏡(SEM)進行鍍層表面形貌的對比觀察，包括鍍層表面粗糙度、孔隙率及晶粒團的大小等。

采用HVS-1000顯微硬度計對鍍層的顯微硬度進行測量。測試載荷為100 g，加載時間為15 s，取5次測試結果的平均值作為鍍層的顯微硬度值。

2 試驗結果

2.1 鍍層表面形貌

加載和未加載超聲波時，噴射電沉積Ni鍍層的表面形貌見圖2。圖2(a)和圖2(b)分別為鍍液溫度為20℃時無超聲波加載和超聲波加載下的Ni鍍層表面相貌。對比發現:無超聲加載條件的Ni鍍層表面平整、無孔隙，但出現了明顯的裂紋;加載超聲波之后，鍍層表面呈土丘狀形貌，無孔隙，且沒有裂紋。這意味著加載超聲波對避免常溫施鍍中裂紋的產生具有重要意義。圖2(c)和圖2(d)分別為鍍液溫度為50℃時無超聲波加載和超聲波加載下Ni鍍層的表面相貌。對比發現:無超聲波加載條件的Ni鍍層表面呈現出典型的土丘狀形貌特征，同時鍍層無孔隙和裂紋;在超聲波加載條件下，鍍層的土丘變得較為平整。

2.2 鍍層顯微硬度

圖2 加載與未加載超聲噴射電沉積Ni鍍層的表面形貌

圖3為噴射電沉積Ni鍍層的顯微硬度。可見，加載超聲波后，鍍層的硬度均有所提高。在鍍液溫度為20℃時，超聲波加載后Ni鍍層的顯微硬度從535 HV上升到583 HV，提高了8.9%;鍍液溫度為50℃時，超聲波加載后 Ni鍍層的顯微硬度從374 HV上升到474 HV，提高了26.7%。由此可以看出:當鍍液溫度較高時，超聲波對鍍層硬度的提高影響更為顯著。

圖3 加載與未加載超聲噴射電沉積Ni鍍層的顯微硬度

3 分析及討論

3.1 超聲對鍍層組織的影響

在鍍液溫度為20℃時，噴射電沉積層表面出現了明顯的裂紋，裂紋產生的原因主要是由于鍍液溫度較低，鍍層內應力過大。同時，溫度較低時，鍍層的析氫［11］現象明顯，也會促使鍍層裂紋產生。當加載超聲波之后，鍍層沒有產生裂紋，鍍層裂紋消失的原因主要在于超聲空化作用。超聲空化是指在超聲作用下，存在于鍍液中的微小氣泡(空穴)所發生的一系列動力學過程:振蕩、擴大、收縮乃至崩潰。這個過程基本消除了Ni鍍層沉積中的析氫現象。同時，由于超聲空化作用對基體表面具有活化作用［10］，使得基體表面的催化活性提高，增加了反應體系中的活性自由基，從而使沉積層與基體的結合力增強。

在鍍液溫度為50℃時，無超聲加載條件的Ni鍍層表面呈現出典型的土豆狀單元體形貌特征，這主要是沉積過程中晶粒的團聚所造成的。在超聲加載條件下，鍍層的晶粒團聚現象明顯減弱。主要原因在于超聲空化釋放出巨大的能量［12］對鍍層中晶粒的團聚具有剪切的作用。因此，超聲波加載后制備出的Ni鍍層表面失去了原有明顯的團聚特征。

3.2 超聲對鍍層性能的影響

試驗結果表明:超聲加載后提高了鍍層的硬度，其原因也在于超聲空化的作用。一是在電沉積成核期，在超聲作用下，局部的高能量加大了單位體積的能量起伏，使成核能大大增加，從而使體系的亞晶核容易達到所需要的成核能，成核幾率增大［10］;在晶核的生長期，超聲空化可消除電解液的微局部濃度不均，有效控制晶核的長大［13］，使鍍層組織得到細化，從而產生細晶強化。另一方面。在超聲空化過程中，微氣泡崩潰產生了強大的沖擊壓力，可以使晶粒產生滑移，發生塑性變形，從而產生加工硬化［14－17］，使鍍層硬度得以提高。

4 結論

本文采用超聲波輔助噴射電沉積試驗平臺，研究了超聲波對噴射電沉積Ni鍍層的組織及硬度的影響，可得出如下結論。

1)超聲波的加載，可細化鍍層的組織，避免鍍層裂紋的產生，并提高鍍層的硬度。

2)超聲空化作用是改善鍍層表面形貌的關鍵因素。超聲空化不僅有助于減少施鍍過程中的析氫現象，避免鍍層裂紋的產生;同時減小鍍層中的晶粒團聚，使得鍍層表面平整。

3)超聲波加載之后，鍍層的顯微硬度提高。其原因歸結于2個方面:一是超聲空化所引起的鍍層細晶強化;二是超聲空化所產生的沖擊力與微射流使鍍層產生的加工硬化。

由于試驗條件有限，還有許多工作需要進一步研究，如超聲功率與頻率對噴射電沉積的影響等。通過進一步改進設備，優化工藝，實現超聲波與噴射電沉積技術的有效結合，將為制備特殊性能的涂層材料提供新的途徑。超聲輔助噴射電沉積有望成為提高小尺寸零件再制造成形質量的新技術。

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