超声功率对喷射电沉积Ni镀层组织及硬度的影响

吴　迪， 宋金琳， 兰　龙， 何好斌

(1. 装甲兵工程学院装备维修与再制造工程系， 北京 100072； 2. 江苏省电机工程学会， 江苏 南京 210024；3. 石家庄机械化步兵学院一大队， 河北 石家庄 050200)



超声功率对喷射电沉积Ni镀层组织及硬度的影响

吴迪1， 宋金琳2， 兰龙1， 何好斌3

(1. 装甲兵工程学院装备维修与再制造工程系， 北京 100072； 2. 江苏省电机工程学会， 江苏 南京 210024；3. 石家庄机械化步兵学院一大队， 河北 石家庄 050200)

采用自行设计的超声辅助喷射电沉积实验装置，在不同超声功率条件下制备了纯Ni镀层，表征了镀层的表面形貌、显微组织结构，计算了晶粒尺寸和镀层的硬度，并对超声波功率影响镀层的组织和硬度的机理进行了分析。结果表明：小功率(90～180 W)超声波对镀层表面质量的改善不明显，甚至会使之恶化；超声波功率在270～360 W范围内时，随超声波功率的增大，镀层表面更加平整，晶粒尺寸更加细小，显微硬度提高；超声波的加载使镀层中纳米孪晶数量显著减少。

超声波功率； 喷射电沉积； Ni镀层组织； 硬度

超声辅助喷射电沉积技术能够提高电沉积速率和镀层的质量。与普通的刷镀和电镀相比，超声辅助喷射电沉积具有沉积效率高、沉积速度快和利于工件精确成形等优点，且镀层硬度高、耐磨性和耐腐蚀性良好[1]，能更好地满足装备再制造中对武器装备的修复要求。将超声波与喷射电沉积技术相结合，既可将超声加载于基体试样，在基体试样表面进行喷射电沉积[2]，也可直接将超声波作用于喷射的镀液[3]。笔者将超声波直接作用于镀液[4]，并结合数控技术，利用不同的超声功率制备Ni镀层，研究超声功率对镀层组织及性能的影响规律。

1　实验部分

1.1实验装置

超声辅助喷射电沉积实验装置如图1所示。其中：超声喷射装置固定在支架上，其发出超声波并直接作用于溶液中；三坐标数控平台通过试样支架实时控制超声射流装置的位置和移动速度；试样与超声喷射装置分别连接电源的阴极、阳极；带有超声振子的喷嘴与实验装置的其他部分采用一体化设计，其钛合金转接头的一端(开口直径为3 mm)与喷嘴连接，另一端插入超声波发生器的振子，受压电解液经侧边开口进入喷嘴。

图1　超声辅助喷射电沉积实验装置

该装置综合了喷射电沉积和功率超声，超声能量在沉积区域产生的声热能可为射流提供能量，有助于在电解液和工件接触面上增大离子传送速度，改善其分布状况，进而提高电镀质量。

1.2实验材料及表征

基体材料为正火态的45钢，尺寸为50 mm×15 mm×5 mm。采用的镍基镀液的主要成分和浓度如表1所示。该溶液呈深绿色，其pH=4.0，密度为1.20 g/cm3。

表1　镍基镀液的主要成分和浓度

实验工艺参数如下：电压为14 V；平均电流为50 mA；镀液温度为40 ℃；喷嘴直径为2 mm；超声波频率为20 kHz。实验工艺流程为:工件表面预处理(打磨→电净→活化→打底)→喷射电沉积。

采用Quanta 200型扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)观察镀层的表面形貌。应用JEM-2100型透射电子显微镜观察镀层的显微组织及晶体电子衍射花样。利用显微硬度计测定镀层的显微硬度，试验载荷为200 g，加载时间为20 s。

采用Bruker D8 Advance 型X射线衍射仪(X-Ray Diffraction，XRD)测得镀层的X射线衍射图谱，Cu靶，入射波长为0.154 06 nm，管电压为40 kV，管电流为40 mA。采用谢乐公式

D(hkl)=kλ/(B1/2cosθ)

计算镀层的平均晶粒尺寸D(hkl)，其中：k=1，为谢乐常数；λ为X射线特征波长；B1/2为衍射线半高宽(rad)；θ为布拉格角。

2　结果与分析

2.1镀层的表面形貌

不同超声波功率条件下制备的镀层显微表面形貌(20 000倍)如图2所示。可以看出：1)当超声波加载功率为0 W时，镀层晶粒尺寸均匀，呈条状；2)当超声波加载功率为90 W时，镀层表面出现突起，晶粒均匀程度下降，与加载功率为0 W时相比，镀层表面更粗糙；3)当超声波加载功率为180 W时，镀层表面粗化程度下降，且条状晶粒更为明显；4)当超声波加载功率进一步增大至270 W以上时，镀层表面平整度骤然提高，表面更加致密，尤其是超声波加载功率为360 W时，效果最为明显。综上，在喷射电沉积过中加载不同功率超声波会影响镀层表面形貌，具体规律是：小功率(90～180 W)超声波对镀层表面质量的改善不明显，反而使之恶化；而超声波加载功率较大时(270～360 W)，镀层表面更加致密。出现以上现象可能有以下原因：

1)由于超声波的作用，液体中空化效应产生的高速微射流在界面之间的强烈搅拌作用促进了电沉积中粒子的转移[5]，Ni2+发生沉积后在基体表面附近的离子浓度能保持相对稳定，从而使得镀层表面平整。

2)超声波促进了Ni2+的迁移，提高了结晶的形核率，这有利于相邻的2个较大晶粒之间形成新的晶核，填充了较大晶粒之间的空隙，从而使得镀层更加致密[6]。

图2　不同超声波功率条件下镀层的表面形貌

3)超声的空化效应以及超声传播时在镀层表面产生的微小射流，清洗了原本吸附在表面的氢和杂质，从而使离子在阴极上的沉积更易进行[7-8]。

2.2镀层的相结构

图3为不同超声波功率条件下制备镀层的XRD图谱。可以看出：不同超声波功率条件下的镀层均在76°附近时出现最强衍射峰(对应于(220)晶面)，而纯Ni的标准最强衍射峰应出现在(111)晶面，显然镀层出现了(220)的择优取向，这可能是喷射电沉积较高的电流密度造成的；同时，电沉积过程中加载不同功率超声波后，(220)衍射峰强度有所降低，其余衍射峰强度均没有明显变化。

图3　不同超声波功率条件下制备镀层的XRD图谱

为进一步分析不同功率的超声波对镀层相结构的影响规律，镀层的织构系数R(hkl)[1]，可表示为

(1)

式中：Is(hkl)、Io(hkl)分别为Ni镀层和标准Ni的衍射峰强度；n为衍射峰个数。本实验中n=4，所以R(hkl)≥25%的晶面即为择优取向晶面。图4为计算得到的不同超声波功率条件下制备镀层各晶向的织构系数，可以看出：在喷射电沉积过程中，加载不同功率的超声波对镀层各晶面的织构系数有一定的影响，但影响并不明显，仅当超声功率达到360 W时，(220)的织构系数由270 W时的87%降至79.6%。

图4　不同超声波功率条件下制备镀层各晶向的织构系数

图5为不同超声波功率条件下制备镀层的晶粒尺寸，可以看出：在0～360 W范围内，随着超声波功率的增加，镀层晶粒尺寸越来越小，由无超声波时的97 nm降低至超声波为360 W时的77 nm，说明在喷射电沉积过程中加载超声波对镀层晶粒有一定的细化作用。

图5　不同超声波功率条件下制备镀层的晶粒尺寸

晶粒尺寸得到细化的原因可能为：超声产生的机械力破坏了晶粒的正常长大，形核率提高[9]，且在一定范围内，随着超声功率的增大，超声波能量增大，产生的超声搅拌作用增强，使得临界晶粒尺寸不断减小。

2.3镀层的显微组织

图6、7分别为无超声波、加载180 W超声波条件下制备Ni镀层的透射电子显微镜形貌及对应的多晶电子衍射花样。可以看出超声波对镀层显微组织主要有以下方面的影响：

1)超声波使得镀层晶粒尺寸细化。无超声波时，镀层平均晶粒尺寸约为120 nm，而加载180 W的超声波后，镀层平均晶粒尺寸减小至60 nm，这一结果与谢乐公式计算结果相吻合，即超声波对镀层晶粒有显著的细化作用。

2)超声波影响镀层晶粒形态。无超声波时，镀层中有明显的、数量相对较多、尺寸较大的纳米孪晶存在；而加载180 W超声波后，镀层中纳米孪晶数量明显减少，且纳米孪晶尺寸也有所减小。

3)加载超声波前后，镀层多晶电子衍射花样无明显变化，且存在大量成对的明亮斑点以及不连续的衍射环，这些特征均说明镀层内有孪晶存在。出现纳米孪晶的原因可能与喷射电沉积电流密度较大有关，而电沉积过程中加载超声波对晶粒生长过程产生的扰动打断了晶粒的正常生长，在减小晶粒尺寸的同时抑制了孪晶的产生。此外，超声波的作用可能降低了镀层的内应力，从而减少了孪晶的产生。

4)将透射电子显微镜观察镀层的晶粒尺寸与用X射线衍射计算的晶粒尺寸进行比较，二者结果相近，说明利用X射线衍射峰计算出的晶粒尺寸与镀层实际晶粒尺寸具有较好的一致性。

图6　无超声波条件下制备Ni镀层的透射电子显微镜形貌及对应的多晶电子衍射花样

图7　加载180 W超声波条件下制备Ni镀层的透射电子显微镜形貌及对应的多晶电子衍射花样

2.4镀层的硬度

图8为不同超声波功率下镀层的显微硬度，可以看出：1)加载超声波比无超声波条件下制备的镀层硬度高，即在喷射电沉积过程中加载不同功率超声波可以提高镀层硬度；2)超声波功率对镀层的显微硬度也有影响，在使用的超声波功率范围内，超声

图8　不同超声波功率下镀层的显微硬度

波功率越大，镀层的显微硬度越高，超声波功率为360 W时，镀层的显微硬度最高，达到570 HV；3)当超声波功率在180 W以内时，超声波功率的增大对镀层显微硬度的影响比较明显，而当功率大于180 W时，超声波功率的增大对提高镀层显微硬度这一作用效果趋缓。

结合图5-7可知，本实验中不同功率的超声波影响镀层显微硬度的原因为：在喷射电沉积过程中由于超声波的引入，其超声空化产生的强烈搅拌作用破坏了镀层结晶过程晶粒的正常长大，同时促进了镀层表面电解液的流动和金属离子的传质，有利于电沉积过程晶核的形成，使得镀层晶粒细化，进而提高了镀层的显微硬度；超声波功率小于180 W时，功率越大，这一效果就越明显，而当功率达到180 W以上时，超声波功率对电沉积过程的作用效果趋缓，进而对镀层显微硬度的提高效果也不再显著。

3　结论

笔者利用自行设计的超声波辅助喷射电沉积实验装置，在不同超声波功率(0～360 W)条件下制备了的纯金属Ni镀层，结果表明：随超声波功率的增加，镀层表面形貌呈现先变粗糙后变平整的趋势，超声波功率为180 W时镀层表面质量最差，功率为360 W时镀层表面质量最好；超声波辅助能减小喷射电沉积制备镀层的(220)择优取向，超声波功率增大，其影响增大；超声波的引入可减小喷射电沉积层晶粒尺寸，提高镀层显微硬度，且超声波功率越大，晶粒尺寸越小，镀层硬度越高，功率为360 W时镀层硬度达到570 HV。

[1]吴迪.超声辅助喷射电沉积Ni-CNTs(Gr)复合镀层的组织性能及其机理研究[D].北京:装甲兵工程学院，2016.

[2]谭俊，吴迪，高玉琳，等.超声辅助喷射电沉积Ni镀层的表面形貌及硬度[J].装甲兵工程学院学报，2011，25(4)：80-83.

[3]郭超.碳纳米管增强镍基复合度层的性能及影响因素分析[D].北京：北京化工大学，2007.

[4]谭俊, 吴迪, 王猛, 等. 超声辅助喷射电沉积试验装置:中国, ZL201310162627.2[P]. 2016-02-24.

[5]郭艳, 沈鸿烈,尹玉刚,等. 超声电化学沉积ZnO薄膜及其机理研究[J]. 功能材料, 2008, 39(10): 1638-1641.

[6]王裕超，丁桂甫，吴惠箐，等.超声振荡辅助制备铜基碳纳米管复合电镀层工艺研究[J].复合材料学报，2006，5(23)：29-33.

[7]吴蒙华, 傅欣欣,李智,等. 超声电沉积镍/纳米碳化硅复合镀层组织结构研究[J].机械工程材料, 2004, 28(12):46-48.

[8]石建军.超声电化学合成纳米复合材料及其分析应用[D].南京：南京大学，2011.

[9]明平美，朱荻，胡洋洋，等.超声微细电铸试验研究[J].中国机械工程，2008，19(6)：644-647.

(责任编辑: 尚菲菲)

Effects of Ultrasonic Power on the Microstructure and Hardness of Ni Coating Obtained by Jet Electrodeposition

WU Di1, SONG Jin-lin2, LAN Long1, HE Hao-bin3

(1. Department of Equipment Maintenance and Remanufacture Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Jiangsu Province Institute of Electrical Engineering, Nanjing 210024, China;3. Company No.1, Shijiazhuang Mechanized Infantry Academy, Shijiazhuang 050200, China)

Ni coating is prepared by ultrasonic assisted jet electrodeposition device under different ultrasonic power. The surface morphology and microstructure of the coating is observed and characterized, the grain size is calculated, the hardness of the coating is evaluated, and the influence mechanism of ultrasonic power on the coating morphology and hardness are also discussed. The experimental results show that when the ultrasonic power is small (90-180 W),the improvement of the surface quality of the coating is not obvious, and even make it worse; when the ultrasonic power is strong (270-360 W), with the increase of ultrasonic power, the surface of the coatings become smoother, the grain size is even smaller, and the microhardness is improved. The transmission electron microscope shows also that quantity of twin crystal of the coating is reduced under ultrasonic condition.

ultrasonic power; jet electrodeposition; Ni coating microstructure; hardness

1672-1497(2016)04-0094-04

2016-01-17

军队科研计划项目

吴迪(1979-)，男，博士研究生。

TB331； TB559； TQ153.1+2

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.019