脈沖電沉積Ni-Al2O3復(fù)合鍍層的工藝參數(shù)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049； 2.山東理工大學(xué)先進(jìn)制造研究院，山東 淄博 255049）

鎳基復(fù)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(jī)械設(shè)備、燃料電池等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。納米Al2O3顆粒作為第二相粒子與鎳基體復(fù)合沉積時(shí)，可得到顆粒分散均勻、結(jié)晶致密、平均晶粒尺寸較小的復(fù)合鍍層[3-4]，具有重要的研究?jī)r(jià)值。相比直流電沉積，脈沖電沉積能得到更均勻致密的復(fù)合鍍層，也能通過(guò)改變脈沖參數(shù)使鍍層在宏觀或微觀上發(fā)生改變[5]。目前脈沖工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合電沉積過(guò)程的交互影響機(jī)制尚不完全清楚，因而要對(duì)其開(kāi)展深入研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)及性能的優(yōu)化[6-7]。本文采用脈沖電源制備了Ni-Al2O3復(fù)合鍍層，利用正交試驗(yàn)法確定最優(yōu)工藝參數(shù)，并對(duì)優(yōu)化后的復(fù)合鍍層與直流電源制備的復(fù)合鍍層進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基體材料及其預(yù)處理

陽(yáng)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(jīng)500號(hào)至2000號(hào)的砂紙打磨，再放入丙酮溶液中除油，隨后在無(wú)水乙醇中用YD0203型超聲波清洗機(jī)超聲清洗5 min，再經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jīng)超聲振蕩30 min，再經(jīng)85-2型恒溫磁力攪拌器充分?jǐn)嚢瑁辜{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(jìn)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(shí)間60 min。采用LW-6020KD直流電源制備復(fù)合鍍層的過(guò)程與脈沖電沉積相同。

1.3 性能測(cè)試

用美國(guó)FEI公司的Quanta250掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復(fù)合鍍層的表面形貌，用SEM中自帶的能譜儀(EDS)測(cè)出鍍層中各元素含量，根據(jù)其中的Al含量來(lái)計(jì)算Al2O3的含量。用FM-800(D)顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量鍍層的顯微硬度，載荷100 g，時(shí)間15 s，測(cè)量5個(gè)不同點(diǎn)，求平均值。用DSX1000數(shù)碼顯微鏡觀察工件形貌(放大3 000倍)并測(cè)量表面粗糙度(放大105倍)。用660E型電化學(xué)工作站檢測(cè)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(fù)合鍍層(暴露面積1 cm2)、飽和甘汞電極(SCE)和鉑電極，動(dòng)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(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)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(zhì)量濃度(因素D)對(duì)鍍層顯微硬度及Al2O3含量的影響，從而優(yōu)化復(fù)合電沉積的工藝參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)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(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，各因素的影響順序?yàn)锽 ＞ A ＞ C ＞ D，最佳水平為A3、B3、C1、D1；以鍍層Al2O3含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，各因素的影響順序?yàn)锳 ＞ C ＞ D ＞ B，最佳水平為A3、B2、C1、D1。由Hall-Petch關(guān)系式可知在硬度一定時(shí)，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(fù)合鍍層的硬度隨Al2O3含量的增加而增大[8-9]。試驗(yàn)結(jié)果表明：B2和B3水平下，顯微硬度的結(jié)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(zhì)量濃度5 g/L。

于是在最優(yōu)條件下以直流復(fù)合鍍層作為對(duì)比，分析復(fù)合鍍層的表面形貌及性能。

2.2 復(fù)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(fù)合鍍層晶粒尺寸較大、結(jié)構(gòu)不一，納米顆粒略微團(tuán)聚，個(gè)別鎳晶粒由于擇優(yōu)生長(zhǎng)而出現(xiàn)“菜花狀”形貌。脈沖電源制備的復(fù)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(rèn)為，在金屬電結(jié)晶過(guò)程中，脈沖電沉積與直流電沉積規(guī)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(shí)陰極極化大，過(guò)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(shù)下觀察到的脈沖復(fù)合鍍層表面形貌較好。

圖1 直流(a)和脈沖(b)復(fù)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(fù)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(fù)合在鍍層中。脈沖復(fù)合鍍層的顯微硬度高于直流復(fù)合鍍層是由于細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用。納米顆粒能阻礙晶核長(zhǎng)大，納米顆粒含量越高就越能阻礙晶粒生長(zhǎng)，晶粒越細(xì)小致密則復(fù)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(fù)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(shù)碼顯微鏡得到的復(fù)合鍍層形貌，測(cè)得直流復(fù)合鍍層的表面粗糙度Ra為0.588 μm，脈沖復(fù)合鍍層則為1.195 μm。從圖3中可觀察到直流復(fù)合鍍層的表面晶粒尺寸較大，形狀清晰，脈沖復(fù)合鍍層晶粒尺寸較小，兩表面都光滑平整，無(wú)明顯凸起。納米Al2O3含量的增加可使晶粒細(xì)化，但鑲嵌在鍍層表面的Al2O3顆粒也會(huì)增多，使鍍層的表面粗糙度增大。

圖3 數(shù)碼顯微鏡下的直流(a)和脈沖(b)復(fù)合鍍層及其粗糙度數(shù)據(jù) 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(xué)工作站得到的極化曲線如圖4所示，其擬合結(jié)果見(jiàn)表2。脈沖復(fù)合鍍層的腐蝕電位與直流復(fù)合鍍層相比發(fā)生正移，腐蝕電流密度比直流復(fù)合鍍層小，說(shuō)明脈沖復(fù)合鍍層的腐蝕反應(yīng)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(shí)能夠減少孔隙率，使鍍層耐蝕性增強(qiáng)。

圖4 直流和脈沖復(fù)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(jié)果 Table 2 Fitting result of polarization curves

3 結(jié)論

在正交試驗(yàn)優(yōu)化的最佳工藝條件下，脈沖復(fù)合鍍層的表面晶粒與直流復(fù)合鍍層相比更細(xì)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(fù)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(fù)合鍍層的性能，研究各工藝參數(shù)對(duì)鍍層性能的影響將使脈沖電沉積技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。