脈沖電沉積Ni-Al2O3復合鍍層的工藝參數及性能研究

姜廣粉，張海云, ，傅彥迪，龔西鵬，孟建兵, ，趙玉剛, ，林偉盛，韓新港

（1.山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255049； 2.山東理工大學先進制造研究院，山東 淄博 255049）

鎳基復合鍍層因具有高硬度以及良好的致密性、耐蝕性、耐磨性、裝飾性等性能而在航空航天、艦艇船舶、機械設備、燃料電池等領域有著廣泛的應用[1-2]。納米Al2O3顆粒作為第二相粒子與鎳基體復合沉積時，可得到顆粒分散均勻、結晶致密、平均晶粒尺寸較小的復合鍍層[3-4]，具有重要的研究價值。相比直流電沉積，脈沖電沉積能得到更均勻致密的復合鍍層，也能通過改變脈沖參數使鍍層在宏觀或微觀上發生改變[5]。目前脈沖工藝參數對復合電沉積過程的交互影響機制尚不完全清楚，因而要對其開展深入研究，以實現對鍍層結構及性能的優化[6-7]。本文采用脈沖電源制備了Ni-Al2O3復合鍍層，利用正交試驗法確定最優工藝參數，并對優化后的復合鍍層與直流電源制備的復合鍍層進行對比。

1 實驗

1.1 基體材料及其預處理

陽極為純度99.9%的純鎳板，陰極為20 mm × 20 mm × 2 mm的304不銹鋼板。試樣表面先經500號至2000號的砂紙打磨，再放入丙酮溶液中除油，隨后在無水乙醇中用YD0203型超聲波清洗機超聲清洗5 min，再經質量分數為5%的鹽酸溶液酸洗10 s，最后用去離子水清洗干凈，完全干燥后放入鍍液中電沉積。

1.2 鍍液成分及工藝條件

鍍液成分為：硫酸鎳280 g/L，氯化鎳45 g/L，硼酸40 g/L，十二烷基硫酸鈉0.1 g/L，Al2O3納米顆粒(平均直徑50 nm)5 ～ 15 g/L。鍍液完全溶解后經超聲振蕩30 min，再經85-2型恒溫磁力攪拌器充分攪拌，使納米顆粒均勻懸浮在鍍液中。用NHWYDM-750-5雙脈沖電源，在恒溫磁力攪拌器作用下進行電沉積，電流密度2 ～ 4 A/dm2，脈沖占空比20% ～ 60%，脈沖頻率600 ～ 1 000 Hz，溫度45 ～ 55 °C，pH 3 ～ 4，攪拌速率約220 r/min，電鍍時間60 min。采用LW-6020KD直流電源制備復合鍍層的過程與脈沖電沉積相同。

1.3 性能測試

用美國FEI公司的Quanta250掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復合鍍層的表面形貌，用SEM中自帶的能譜儀(EDS)測出鍍層中各元素含量，根據其中的Al含量來計算Al2O3的含量。用FM-800(D)顯微維氏硬度計測量鍍層的顯微硬度，載荷100 g，時間15 s，測量5個不同點，求平均值。用DSX1000數碼顯微鏡觀察工件形貌(放大3 000倍)并測量表面粗糙度(放大105倍)。用660E型電化學工作站檢測鍍層耐蝕性，三電極體系的工作電極、參比電極、輔助電極分別為復合鍍層(暴露面積1 cm2)、飽和甘汞電極(SCE)和鉑電極，動電位極化曲線的掃描范圍從-0.8 V至0.4 V，掃速1 mV/s，腐蝕液為3.5% NaCl水溶液。

2 結果與討論

2.1 正交試驗分析

采用L9(34)正交表考察平均電流密度(因素A)、占空比(因素B)、脈沖頻率(因素C)及鍍液中Al2O3顆粒質量濃度(因素D)對鍍層顯微硬度及Al2O3含量的影響，從而優化復合電沉積的工藝參數，結果見表1。

表1 正交試驗結果 Table 1 Result of orthogonal test

綜合分析表1后可得出：以鍍層顯微硬度為評價指標時，各因素的影響順序為B ＞ A ＞ C ＞ D，最佳水平為A3、B3、C1、D1；以鍍層Al2O3含量為評價指標時，各因素的影響順序為A ＞ C ＞ D ＞ B，最佳水平為A3、B2、C1、D1。由Hall-Petch關系式可知在硬度一定時，晶粒越小則硬度越大，而鎳晶粒的尺寸隨著納米Al2O3含量增加而減小，所以一般復合鍍層的硬度隨Al2O3含量的增加而增大[8-9]。試驗結果表明：B2和B3水平下，顯微硬度的結果差別較小，因此確定最佳組合為A3B2C1D1，即電流密度4 A/dm2，占空比40%，脈沖頻率600 Hz，Al2O3顆粒質量濃度5 g/L。

于是在最優條件下以直流復合鍍層作為對比，分析復合鍍層的表面形貌及性能。

2.2 復合鍍層的性能表征

2.2.1 表面形貌

圖1a顯示直流電源制備的復合鍍層晶粒尺寸較大、結構不一，納米顆粒略微團聚，個別鎳晶粒由于擇優生長而出現“菜花狀”形貌。脈沖電源制備的復合鍍層表面微觀形貌則如圖1b所示，晶粒尺寸大小均勻且十分致密平整，納米Al2O3粒子彌散分布在鍍層表面。分析認為，在金屬電結晶過程中，脈沖電沉積與直流電沉積規律相同，但脈沖峰值電流在同等條件下比直流電流密度高，脈沖電沉積時陰極極化大，過電位高，陰極表面吸附原子濃度高，晶核易形成，晶粒尺寸較小[10-11]。因此在同等放大倍數下觀察到的脈沖復合鍍層表面形貌較好。

圖1 直流(a)和脈沖(b)復合鍍層的SEM圖像 Figure 1 SEM images of composite coatings electrodeposited by direct current (a) and pulsed current (b)

2.2.2 顯微硬度及元素組成

脈沖和直流Ni-Al2O3復合鍍層的顯微硬度分別為414.48 HV和326.87 HV，納米Al2O3含量分別為6.406%和4.214%。從圖2可知，鍍層中的主要元素為鎳，鋁元素的存在證明Al2O3顆粒已復合在鍍層中。脈沖復合鍍層的顯微硬度高于直流復合鍍層是由于細晶強化和彌散強化作用。納米顆粒能阻礙晶核長大，納米顆粒含量越高就越能阻礙晶粒生長，晶粒越細小致密則復合鍍層表面形貌越好，顯微硬度越高。

圖2 直流(a)和脈沖(b)復合鍍層的能譜圖 Figure 2 Energy-dispersive spectra of composite coatings electrodeposited by direct current (a) and pulsed current (b)

2.2.3 表面粗糙度

圖3為利用數碼顯微鏡得到的復合鍍層形貌，測得直流復合鍍層的表面粗糙度Ra為0.588 μm，脈沖復合鍍層則為1.195 μm。從圖3中可觀察到直流復合鍍層的表面晶粒尺寸較大，形狀清晰，脈沖復合鍍層晶粒尺寸較小，兩表面都光滑平整，無明顯凸起。納米Al2O3含量的增加可使晶粒細化，但鑲嵌在鍍層表面的Al2O3顆粒也會增多，使鍍層的表面粗糙度增大。

圖3 數碼顯微鏡下的直流(a)和脈沖(b)復合鍍層及其粗糙度數據 Figure 3 Digital microscopic images of composite coatings electrodeposited by direct current (a) and pulsed current (b) and their roughness data

2.2.4 耐蝕性

利用電化學工作站得到的極化曲線如圖4所示，其擬合結果見表2。脈沖復合鍍層的腐蝕電位與直流復合鍍層相比發生正移，腐蝕電流密度比直流復合鍍層小，說明脈沖復合鍍層的腐蝕反應慢，腐蝕速率低，耐蝕性好。Al2O3納米顆粒是不活潑的惰性化合物，耐蝕性高，彌散分布在鍍層中時能夠減少孔隙率，使鍍層耐蝕性增強。

圖4 直流和脈沖復合鍍層的極化曲線 Figure 4 Polarization curves of composite coatings electrodeposited by direct current and pulsed current

表2 極化曲線擬合結果 Table 2 Fitting result of polarization curves

3 結論

在正交試驗優化的最佳工藝條件下，脈沖復合鍍層的表面晶粒與直流復合鍍層相比更細小致密，納米Al2O3顆粒含量為6.406%且均勻分散，顯微硬度為414.48 HV，表面粗糙度Ra為1.195 μm，耐蝕性約為直流復合鍍層的1.2倍。適宜的脈沖工藝條件能在一定程度上改善復合鍍層的性能，研究各工藝參數對鍍層性能的影響將使脈沖電沉積技術得到更廣泛的應用。