摩擦輔助電化學沉積技術的研究進展

羅志輝， 韋慶敏， 劉榮軍， 梁春杰， 陳 淵

（玉林師范學院 化學與材料學院，廣西 玉林537000）

0 前言

摩擦輔助電化學沉積是以研磨塊或硬質微粒（如陶瓷球、玻璃球等）為摩擦介質，在旋轉機構或平動機構的帶動下，緊貼陰極面做復雜運動（如自轉、滑動、震蕩等），借助機械研磨和摩擦擠壓作用整平沉積層的一種技術。因其具有獨特的工藝優勢，在制造火箭發動機噴管、破甲彈藥型罩、大型RF諧振腔襯套、微波波導管等具有特殊要求或形狀復雜的精密零部件方面展現出廣闊的應用空間，也因此吸引著業界與學術界開展密集、持續與深度的研究和探索。現將所取得的研究成果作一概述。

1 摩擦輔助電化學沉積的作用機理

摩擦輔助電化學沉積的作用機理可歸結為三個方面［1］：

（1）驅氫、抑氫：研磨塊或游離微粒與陰極做相對運動，不斷摩擦、擠壓沉積面，能有效地阻礙氫氣泡的吸附，驅除乃至碾爆附著的氣泡；另外，在驅除氣泡、摩擦沉積面的同時也可提高氫離子的析出電位，減少氫氣的產生量。

（2）整平、拋光：研磨塊或游離微粒，一方面優先接觸沉積表層的凸起部位，可屏蔽該處的電力線，在一定程度上增加凹陷部位的局部電流密度，促使金屬均勻地沉積；另一方面微量磨削微小結瘤和凸起，抑制惡性長大，起到整平的功效。

（3）細化晶粒：機械磨削擾動更新擴散層內的電解液，加速物質交換，增加陰極表面離子放電活化點的數目，加快成核速率，抑制晶核長大。

2 摩擦輔助電化學沉積行為特性

研究表明，硬質微粒輔助摩擦-陰極旋轉條件下的電化學沉積行為特性（如陰極極限電流密度、陰極電流效率、沉積速率等）較常規電沉積的有明顯改變。文獻［2］指出：游離微粒緊貼旋轉陰極表面做復雜運動，直接作用于陰極／電解液交界面，能極大地改善擴散層內的傳質狀況，顯著減薄擴散層，增大陰極極限電流密度，提高沉積速率。在基于焦磷酸鹽電鑄銅時發現：添加游離微粒后陰極電流效率從99.2%降至94.7%，應該是微粒的除瘤與機械拋光作用所致［3］。然而，電鑄Ni-Mn合金層時卻發現，陰極電流效率明顯提高（由80%升至96%）［4］。歸結原因為：一方面，游離微粒擾動更新了擴散層內的電解液，致使所消耗的反應金屬離子得到及時補充，避免了析氫反應；另一方面，不導電的微粒覆蓋于陰極表面，減小了陰極瞬間待沉積面積，提高了實際陰極電流密度和氫離子的析出電位，降低了析氫電量的消耗。

同樣，改變硬質微粒與沉積面間的相對運動方式或更換摩擦介質，也可影響電沉積行為特性。文獻［5］報道了微粒與陰極發生相對滑動時，沉積速率明顯提高，電鑄周期大幅縮短。文獻［6］的研究結果顯示：玻璃球置于陰極表面且施加水平震蕩的情況下，隨著震蕩頻率的加快，沉積速率呈先降后增接著再降的趨勢，最高達21μm／h。魏孝信等［7］采用摩擦噴射電沉積工藝制備了Ni-Al2O3納米復合鍍層，并研究了工藝參數對沉積速率的影響。結果表明：沉積速率隨電壓的升高（8～18V）呈近似線性加快；噴射速率（0.5～3.0m／s）與鍍筆相對運動速率（10～35m／min）對沉積速率的影響不大。此外，梁延德［8］也考察了機械研磨復合電鍍的沉積速率。

3 摩擦輔助電沉積層的形貌、織構與性能

寧朝輝等［9］采用垂直震蕩機械研磨電化學沉積工藝制備出平整、致密的鍍鎳層，并考察了玻璃球直徑和震蕩頻率對鍍層晶粒生長過程的影響。結果表明：玻璃球撞擊研磨細化了晶粒，改善了結構致密性；形核速率隨震蕩頻率的提高（3～5Hz）而加快，但隨玻璃球直徑的增大（1～7mm）呈先增后降的變化趨勢。鑒于該技術的良好工藝效果，課題組隨后又開展了電鍍銅實驗［10］，獲得了無針孔缺陷、表面平整、組織均勻的鍍銅層。SEM觀測發現：晶粒呈金字塔狀，尺寸小于1μm。呂小莉等［11］在酸性鍍銅過程中施加水平震蕩機械研磨，探討了玻璃球數量和震蕩頻率對鍍層顯微織構的影響機理。分析結果顯示：提高震蕩頻率、增加玻璃球數量均有利于細化晶粒，并且震蕩條件對鍍層的擇優取向度有一定的影響。采用相同的工藝技術制備鍍銅層，馮長杰等［6］基于SEM，XRD和Autolab研究了震蕩頻率對鍍層的孔隙率、顯微織構、晶粒尺寸及耐蝕性的影響。結果表明：隨著震蕩頻率的加快（0～4Hz），鍍層的孔隙率明顯降低，衍射譜特征有所不同，晶粒尺寸變化不大，耐蝕性逐漸降低。李學磊等［12］采用游離微粒輔助摩擦-陰極旋轉工藝電鑄出無針孔缺陷、光亮、平整的鑄鎳層。觀察顯微結構發現：晶粒細小、組織致密。測試機械性能得出：抗拉強度和顯微硬度均隨微粒直徑的增大（0.4～3.5mm）而降低。在上述實驗條件的基礎上，以脈沖電流替代直流電流，所得鑄鎳層的形貌質量更優，性能（硬度、耐蝕性）也有所提高，但受脈沖占空比影響明顯［13］。文獻［14-15］報道了利用優選的工藝參數，基于游離微粒輔助摩擦-陰極旋轉電鑄工藝能制得納米晶光亮鎳層。測試結果表明：鑄層的粗糙度小于0.02μm，晶粒尺寸約為30～80nm，各晶面的衍射強度均明顯降低，顯微硬度顯著增大，磁性能有所改變。此外，Li等［16］、余勝東等［17］還探討了工藝條件（如陰極電流密度、陰極平動速率、添加劑等）對陰極平動式摩擦輔助電鑄鎳層的形貌、織構及顯微硬度等的影響。

歸納而言，上述研究的對象均為單金屬沉積層。實際上，有關摩擦輔助電沉積工藝制備復合沉積層的研究，也有少量報道。Ping等［18］指出：相比于常規的Ni-P復合鍍層，震蕩機械研磨電沉積Ni-P復合鍍層表面更光整、厚度更均勻、硬度提高、自腐蝕電位正移、極化阻力增大。文獻［4，19］的研究結果顯示：采用游離微粒輔助摩擦工藝電鑄的Ni-Mn合金層外觀光亮、平整，表面粗糙度僅為0.05μm，晶粒尺寸約為150nm；合金層中錳的質量分數隨陰極電流密度的增加（3～8A／dm2）及陰極轉速的加快（60～240r／min）而升高，但隨電解液溫度的升高（35～60℃）而降低；隨著陰極轉速的加快，合金層的顯微硬度、抗拉強度和屈服強度均明顯提高，最高分別達4 700MPa，1 330MPa和1 025MPa。謝鳳寬等［20-21］系統研究了摩擦電噴鍍Ni-Co-MoS2復合鍍層的顯微結構與耐磨性，發現鍍層組織致密，但位錯密度較高。磨損實驗表明，鍍層的摩擦因數受MoS2的質量分數及摩擦條件（載荷、滑動速率）影響明顯。朱軍等［22］測試分析了基于硬質微粒輔助摩擦-噴射給液電鑄工藝制備的銅零件的形貌與性能。實驗得出：零件表面平整、輪廓精度高，平均硬度約為3 533MPa，抗壓性能良好。另外，梁志杰等［23］研究了輔助摩擦-噴射電沉積Ni-Al2O3納米晶復合鍍層的表面形貌，同時考察了工藝條件對電沉積過程的影響。

4 摩擦輔助電化學沉積技術的工程應用

文獻［5］報道了采用陰極平動式摩擦輔助電鑄技術直接加工成形復雜型面葉片電解加工電極。觀察葉片形貌發現：無任何沉積缺陷，表面光亮。沿幾何中心線等距選取7個點測試表面粗糙度及顯微硬度發現：各點的顯微硬度差別不大，約為3 800～4 000MPa；粗糙度均低于0.35μm，遠低于常規葉片的0.7μm。基于相同的工藝技術，余勝東等［17］開展了回轉體類零件加工的實驗研究。為解決飛機起落架緩沖器活塞桿鍍鉻層滲漏的問題，龔會民等［24］采用硬質微粒柔性摩擦擠壓電鍍工藝進行了鍍鉻實驗，并成功地制備出光亮、無裂紋的鍍鉻層。朱增偉等［25-26］利用自行開發的游離微粒摩擦輔助-陰極旋轉精密電鑄技術，以短周期一次性電鑄制造出光亮平滑、壁厚（6mm）均勻且帶冷卻通道的火箭發動機推力室身部樣件。后期，又將該技術成功地應用于銅藥型罩及破甲彈鎳藥型罩的制造［27］。靜破甲實驗表明：相比于其他工藝制成的同型號藥型罩，二者的破甲性能均明顯提高。

5 結語

摩擦輔助電化學沉積技術以其顯著的驅氫、抑氫作用及獨特的整平、拋光功效，在加工制造簡單形狀異型薄壁零件、回轉體類零件方面已展現出明顯的優勢。隨著工藝能力的進一步優化，該技術有望實現特殊復雜表面、非回轉體結構及超晶光整器件的成形。

［1］朱增偉，朱荻，曲寧松.力學-電沉積法制備納米晶光亮鎳［J］.中國科學：E輯，2008，38（9）：1 529-1 538.

［2］ZHU Z W，ZHU D，QU N S，etal.Electrodeposition of bright nickel coating under perturbation of hard particles［J］.Materials and Design，2007，28（6）：1 776-1 779.

［3］朱增偉，朱荻.硬質粒子擾動對電鑄銅微觀結構與性能的影響［J］.中國有色金屬學報，2006，16（9）：1 558-1 562.

［4］李學磊，朱增偉，朱荻.游離粒子輔助磨對鎳-錳合金電鑄層表面質量及錳含量的影響［J］.材料工程，2010（12）：14-18.

［5］李學磊，朱增偉，章勇，等.基于復雜型面薄壁零件成形的電鑄試驗研究［J］.航空學報，2010，31（10）：2 068-2 074.

［6］馮長杰，杜楠，王春霞，等.水平震蕩機械研磨對酸性鍍銅微觀結構的影響［J］.材料工程，2011（6）：81-87.

［7］魏孝信，梁志杰，曹勇，等.摩擦噴射電沉積制備Ni-Al2O3納米復合鍍層［J］.電鍍與涂飾，2006，25（5）：7-10.

［8］梁延德.電刷鍍機械研磨復合沉積試驗研究［J］.電加工，1999（2）：12-14.

［9］NING Z H，HE Y D，GAO W.Mechanical attrition enhanced Ni electroplating［J］.Surface and Coatings Technology，2008，202（10）：2 139-2 146.

［10］NING Z H，HE Y D.Rapid electroplating of Cu coatings by mechanical attrition method［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2008，18（5）：1 100-1 106.

［11］呂小莉，馮長杰，鐘小榮，等.水平震蕩機械研磨電鍍銅工藝研究［J］.表面技術，2010，39（3）：74-77.

［12］李學磊，朱獲，朱增偉.游離粒子對摩擦輔助電鑄技術的影響［J］.電加工與模具，2010（4）：35-39.

［13］ZHU Z W，ZHU D，QU N S，etal.Pulse electroforming of nickel under perturbation of hard particles［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2005，15（3）：251-254.

［14］ZHU Z W，ZHU D，QU N S.Mechanical electrodeposition of bright nanocrystalline nickel［J］.Science in China Series E：Technological Sciences，2008，51（7）：911-920.

［15］ZHU Z W，ZHU D，QU N S.Effects of simultaneous polishing on electrodeposited nanocrystalline nickel［J］.Materials Science and Engineering：A，2011，528（24）：7 461-7 464.

［16］LI X L，ZHU D，ZHU Z W.A Study on abrasion-assisted electrodeposition of bright nickel［J］.Advanced Materials Research，2008，53（1）：393-396.

［17］余勝東，朱獲，李學磊，等.陰極平動式摩擦輔助精密電鑄的研究［J］.電加工與模具，2009（1）：29-33.

［18］PING Z X，HE Y D，GU C D，etal.Mechanically assisted electroplating of Ni-P coatings on carbon steel［J］.Surface and Coatings Technology，2008，202（24）：6 023-6 028.

［19］李學磊，朱增偉，朱荻.輔助摩擦電鑄Ni-Mn合金的力學性能［J］.航空材料學報，2011，31（3）：65-70.

［20］謝鳳寬，梁志杰，陳宗浩.摩擦電噴鍍Ni-Co-MoS2復合鍍層結構與摩擦學性能［J］.中國表面工程，2002（2）：27-29.

［21］謝鳳寬，梁志杰，陳宗浩.摩擦電噴鍍Ni-Co-MoS2復合鍍層摩擦學性能研究［J］.裝甲兵工程學院學報，2002，16（2）：60-63.

［22］朱軍，田宗軍，劉志東.摩擦噴射電沉積快速成型金屬銅零件的表面形貌與力學性能［J］.機械工程材料，2011，35（9）：35-41.

［23］梁志杰，曹勇，閆濤.摩擦噴射Al2O3納米顆粒與鎳共沉積過程研究［J］.電鍍與精飾，2006，28（2）：18-20.

［24］龔會民，鄭志敏，楊文霞，等.飛機起落架緩沖器活塞桿鍍鉻層滲漏的研究［J］.機械制造與自動化，2011，40（2）：8-10.

［25］ZHU Z W，ZHU D，QU N S.Electroforming of revolving parts with near-polished surface and uniform thickness［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，39（11）：1 164-1 170.

［26］章勇，朱增偉，高虹，等.一種新的電鑄陽極輪廓設計方法［J］.航空學報，2012，33（1）：182-188.

［27］雷衛寧，朱增偉，陶鋼.超細晶粒鎳藥型罩的精密電鑄試驗研究［J］.中國機械工程，2010，21（3）：340-343.