摘要：介紹了噴射電鍍的基本原理,采用自行設計制造的噴射電鍍設備制備納米晶鎳鍍層,并對鍍層進行激光重熔處理。重點研究了在直流電源和脈沖電源作用下,電流密度對鍍層金屬的微觀結構的影響,以及采用激光重熔處理對直流納米晶鎳鍍層形貌的影響;考察了金屬基體、噴射電鍍層以及激光重熔后的鍍層的顯微硬度的變化。研究結果表明:與基體金屬相比,噴射電鍍層的顯微硬度有明顯提高;經過激光重熔處理后鍍層的顯微硬度得到進一步提高。

前言

納米材料因其不同于傳統材料的優異性能,成為當今材料科學的研究熱點。納米晶材料是晶粒尺寸為1~100nm的多晶材料[1-5]。與傳統的納米晶體材料制備法相比,電沉積方法可以在相對簡單的條件下獲得各種納米晶體材料,其制備納米晶體材料很少受尺寸和形狀的限制。盡管采用電沉積方法制備納米晶體材料有著種種優勢,但其制備的納米晶體鍍層與基體之間的結合為機械結合,極易從基體表面脫離。為了將噴射電鍍層與基體之間的機械結合轉換為冶金結合,并保持納米晶尺寸,選用激光對鍍層進行重熔[6-8]。將激光熔覆應用于納米晶材料制備,利用其能量密度高、材料逐點熔凝和凝固速率快等特點,獲得具有質量良好的納米晶鍍層。

本文在分析納米晶材料的優異性能的基礎上,首先采用噴射電沉積制備了具有納米晶結構的金屬鎳。重點研究了直流電源以及脈沖電源兩種方式對形成的鍍層的微觀結構的影響,然后針對噴射鍍層的不足,對鍍層進行激光重熔處理;選取合適的重熔工藝參數(激光光斑直徑,激光功率,掃描速率等),通過選擇優化的重熔工藝參數,細化鍍層晶粒,提高鍍層的致密性,增強鍍層與金屬基體的結合強度,并對該鍍層的微觀形貌進行分析。

1試樣制備及實驗方法

1.1噴射電鍍設備

實驗采用自行設計研制的噴射電鍍裝置,如圖1所示。它主要由鍍液槽、過濾泵、控制閥、流量計、電源和電沉積室等幾部分組成。在沉積室內,陽極噴嘴豎直對準水平放置的陰極基體,采用單陽極方法,陽極材料為鎳棒。陰極基體為低碳鋼,噴嘴出口距離陰極基體5mm左右,實驗采用長條形噴嘴。

1.2鍍液組成及工藝參數

鍍液的組成及工藝參數:

NiSO4   ·6H2O250g/L

NiCl2   ·6H2O60g/L

H3BO3     40g/L

C12H25OSO3Na     0.1g/L

pH值      3.8~4.3

J    70~140A/dm2

θ     50℃

    實驗前,陰極基體材料依次用500#,1000#和2000#的金相砂紙打磨拋光后,再經超聲波清洗30min,然后進行除油、酸洗及水洗處理。沉積時,電鍍液在過濾泵的驅動下,經噴嘴垂直噴射到陰極基體上,最后回流至鍍槽。噴嘴出口處的鍍液噴射速率固定為7.8m/s。

對噴鍍后的鍍層進行激光重熔。在對鍍層進行大量激光重熔處理的基礎上,選取優化的一組參數:激光功率1000W,掃描速率0.8m/min,光斑直徑3mm。實驗時,將試樣固定在一塊導熱性能良好的鋼板上,然后置于激光頭下,調整激光頭的位置,讓激光束光斑對準試樣上處理的部位。

1.3測試方法

#p#分頁標題#e#采用LEO1530VP型掃描電子顯微鏡(SEM)對比分析噴射電鍍層和激光重熔鍍層的形貌、結合面及顯微組織特征等。

采用HXS-1000A型數字式智能顯微硬度計測試鍍層的硬度,載荷為50g,保載時間為10s,試樣顯微硬度為取5點平均值。

2結果與討論

2.1直流電流密度對表面形貌的影響

圖2為鍍液流速為7.8m/s,噴嘴移動速率為10mm/s條件下,直流電流密度分別為70A/dm2,100A/dm2和140A/dm2時電鍍層的形貌圖。其中,左圖和右圖分別為低倍和高倍的SEM圖。掃描層數為300層。

利用圖2中標尺標定后發現,鍍層表面均由大小不等的納米晶微粒組成。當電流密度較小時,鍍層表面不太平整,微粒較為粗糙;當電流密度增大到100A/dm2時,鍍層表面逐漸平整,微粒變得細小;當電流密度繼續增加后,整個鍍層表面呈明顯的胞狀微粒生長,而且微粒粗大,鍍層致密性和表面平整性明顯變差。