摘要：介紹了噴射電鍍的基本原理,采用自行設(shè)計(jì)制造的噴射電鍍?cè)O(shè)備制備納米晶鎳鍍層,并對(duì)鍍層進(jìn)行激光重熔處理。重點(diǎn)研究了在直流電源和脈沖電源作用下,電流密度對(duì)鍍層金屬的微觀結(jié)構(gòu)的影響,以及采用激光重熔處理對(duì)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(jié)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(jīng)過激光重熔處理后鍍層的顯微硬度得到進(jìn)一步提高。

前言

納米材料因其不同于傳統(tǒng)材料的優(yōu)異性能,成為當(dāng)今材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)。納米晶材料是晶粒尺寸為1~100nm的多晶材料[1-5]。與傳統(tǒng)的納米晶體材料制備法相比,電沉積方法可以在相對(duì)簡(jiǎn)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(yōu)勢(shì),但其制備的納米晶體鍍層與基體之間的結(jié)合為機(jī)械結(jié)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(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)換為冶金結(jié)合,并保持納米晶尺寸,選用激光對(duì)鍍層進(jìn)行重熔[6-8]。將激光熔覆應(yīng)用于納米晶材料制備,利用其能量密度高、材料逐點(diǎn)熔凝和凝固速率快等特點(diǎn),獲得具有質(zhì)量良好的納米晶鍍層。

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

1試樣制備及實(shí)驗(yàn)方法

1.1噴射電鍍?cè)O(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)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(jì)、電源和電沉積室等幾部分組成。在沉積室內(nèi),陽極噴嘴豎直對(duì)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)條形噴嘴。

1.2鍍液組成及工藝參數(shù)

鍍液的組成及工藝參數(shù):

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(shí)驗(yàn)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(jīng)超聲波清洗30min,然后進(jìn)行除油、酸洗及水洗處理。沉積時(shí),電鍍液在過濾泵的驅(qū)動(dòng)下,經(jīng)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(duì)噴鍍后的鍍層進(jìn)行激光重熔。在對(duì)鍍層進(jìn)行大量激光重熔處理的基礎(chǔ)上,選取優(yōu)化的一組參數(shù):激光功率1000W,掃描速率0.8m/min,光斑直徑3mm。實(shí)驗(yàn)時(shí),將試樣固定在一塊導(dǎo)熱性能良好的鋼板上,然后置于激光頭下,調(diào)整激光頭的位置,讓激光束光斑對(duì)準(zhǔn)試樣上處理的部位。

1.3測(cè)試方法

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

采用HXS-1000A型數(shù)字式智能顯微硬度計(jì)測(cè)試鍍層的硬度,載荷為50g,保載時(shí)間為10s,試樣顯微硬度為取5點(diǎn)平均值。

2結(jié)果與討論

2.1直流電流密度對(duì)表面形貌的影響

圖2為鍍液流速為7.8m/s,噴嘴移動(dòng)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(shí)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(shù)為300層。

利用圖2中標(biāo)尺標(biāo)定后發(fā)現(xiàn),鍍層表面均由大小不等的納米晶微粒組成。當(dāng)電流密度較小時(shí),鍍層表面不太平整,微粒較為粗糙;當(dāng)電流密度增大到100A/dm2時(shí),鍍層表面逐漸平整,微粒變得細(xì)小;當(dāng)電流密度繼續(xù)增加后,整個(gè)鍍層表面呈明顯的胞狀微粒生長(zhǎng),而且微粒粗大,鍍層致密性和表面平整性明顯變差。