激光重熔纳米晶镍镀层的研究 陈劲松1,黄因慧2,朱军2,乔斌1,杨建明1 (1.淮海工学院机械工程学院,江苏连云港222005;2.南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016) 摘要：介绍了喷射电镀的基本原理,采用自行设计制造的喷射电镀设备制备纳米晶镍镀层,并对镀层进行激光重熔处理。重点研究了在直流电源和脉冲电源作用下,电流密度对镀层金属的微观结构的影响,以及采用激光重熔处理对直流纳米晶镍镀层形貌的影响;考察了金属基体、喷射电镀层以及激光重熔后的镀层的显微硬度的变化。研究结果表明:与基体金属相比,喷射电镀层的显微硬度有明显提高;经过激光重熔处理后镀层的显微硬度得到进一步提高。 关键词：纳米复合镀层;喷射电镀;激光重熔;显微硬度 中图分类号：TQ153文献标识码：A文章编号：1000-4742(2010) 0前言 纳米材料因其不同于传统材料的优异性能,成为当今材料科学的研究热点。纳米晶材料是晶粒尺寸为1~100nm的多晶材料[1-5]。与传统的纳米晶体材料制备法相比,电沉积方法可以在相对简单的条件下获得各种纳米晶体材料,其制备纳米晶体材料很少受尺寸和形状的限制。尽管采用电沉积方法制备纳米晶体材料有着种种优势,但其制备的纳米晶体镀层与基体之间的结合为机械结合,极易从基体表面脱离。为了将喷射电镀层与基体之间的机械结合转换为冶金结合,并保持纳米晶尺寸,选用激光对镀层进行重熔[6-8]。将激光熔覆应用于纳米晶材料制备,利用其能量密度高、材料逐点熔凝和凝固速率快等特点,获得具有质量良好的纳米晶镀层。 本文在分析纳米晶材料的优异性能的基础上,首先采用喷射电沉积制备了具有纳米晶结构的金属镍。重点研究了直流电源以及脉冲电源两种方式对形成的镀层的微观结构的影响,然后针对喷射镀层的不足,对镀层进行激光重熔处理;选取合适的重熔工艺参数(激光光斑直径,激光功率,扫描速率等),通过选择优化的重熔工艺参数,细化镀层晶粒,提高镀层的致密性,增强镀层与金属基体的结合强度,并对该镀层的微观形貌进行分析。 1试样制备及实验方法 1.1喷射电镀设备 实验采用自行设计研制的喷射电镀装置,如图1所示。它主要由镀液槽、过滤泵、控制阀、流量计、电源和电沉积室等几部分组成。在沉积室内,阳极喷嘴竖直对准水平放置的阴极基体,采用单阳极方法,阳极材料为镍棒。阴极基体为低碳钢,喷嘴出口距离阴极基体 1.2镀液组成及工艺参数 镀液的组成及工艺参数:
实验前,阴极基体材料依次用500#,1000#和2000#的金相砂纸打磨抛光后,再经超声波清洗30min,然后进行除油、酸洗及水洗处理。沉积时,电镀液在过滤泵的驱动下,经喷嘴垂直喷射到阴极基体上,最后回流至镀槽。喷嘴出口处的镀液喷射速率固定为7.8m/s。 对喷镀后的镀层进行激光重熔。在对镀层进行大量激光重熔处理的基础上,选取优化的一组参数:激光功率1000W,扫描速率 1.3测试方法 采用LEO1530VP型扫描电子显微镜(SEM)对比分析喷射电镀层和激光重熔镀层的形貌、结合面及显微组织特征等。 采用HXS 2结果与讨论 2.1直流电流密度对表面形貌的影响 图2为镀液流速为
利用图2中标尺标定后发现,镀层表面均由大小不等的纳米晶微粒组成。当电流密度较小时,镀层表面不太平整,微粒较为粗糙;当电流密度增大到 根据经典电化学理论,金属离子在电极表面放电生成的吸附原子形成高为h,临界半径为rc的二维晶核时,自由能变化为:
式(1)中:E为界面能,Z为放电离子携带的电荷数,e为电子电荷,ηk为阴极过电位。式(2)中:K1,K2为常数。 由式(1),式(2)可知:过电位越大,则晶核的临界尺寸越小,所以生成晶核的几率或核的生成速率与过电位有直接关系。因此,随着过电位的增加,成核速率增大,晶核数目增多。这就是在高的电流密度下能获得结晶细致的镀层的根本原因。在电镀过程中,当峰值电流密度大于 2.2脉冲电流密度对表面形貌的影响 图3为镀液流速为 2.3激光重熔对直流纳米晶镀层形貌的影响 对喷射电镀层进行激光重熔处理后,喷射纳米晶镍镀层的整体形貌,如图4所示。激光重熔层的熔道与预置镀层的边界整齐,镀层的内部组织均匀、致密,没有明显的缺陷,镀层与基体结合良好。
从图4可以清楚发现,激光重熔后试样的横截面明显存在三个区域:熔融区、热影响区和基体。热影响区又可以分为相变硬化带和软化带。在45钢的相变硬化带内,由于激光加热后的自身快速冷却,生成的奥氏体和马氏体晶粒度非常细小,材料的硬度和耐磨性均有一定的提高;软化带的宽度和光斑边缘能量分布的陡峭程度和钢本身抗回火能力有关,这个区的硬度比相变硬化带的小,但仍然大于基体的。激光重熔使得镀层经历了加热熔化—冷却凝固的过程,而且在快速的冷却过程中,随着固液界面向前推移,生长速率越来越快,晶粒的尺寸也变得越来越细小,促进了等轴晶的形成。激光重熔后镀层组织结构的变化是由于激光快速加热和快速冷却的加工特点所引起的。在熔池再结晶过程中,熔池底部有极大的成分过冷,结晶非常迅速。当激光扫描照射试件时,镀层从熔化状态急剧冷却,晶核来不及长大,在重熔层中形成致密、细小的晶体结构。因此,提高了喷镀层的致密度。 2.4镀层的显微硬度 为了有效地说明不同的加工过程对镀层的性能的影响,对镀层的显微硬度进行了对比分析。表1为基体、喷射电镀层以及激光重熔镀层的显微硬度。可以看出:显微硬度由基体材料时的2823MPa,经过喷射电镀后增加到5975MPa,通过激光重熔后达到6582MPa,显微硬度得到较大提高。
由于激光束具有高能量密度,使镀层和基体表面机械结合熔化成冶金结合,提高其结合强度。此外,激光熔化层是非平衡相,由化合物与高位错密度的过饱和固溶体组成,镀层在激光扫描后大温度梯度的快速冷却凝固中得到了细晶组织,使沉积层更加致密无孔。所以,与喷射镀层相比,激光重融后的镀层显微硬度也相应提高。 3结语 将喷射电镀与激光重熔结合起来用于金属材料表面制备纳米晶镀层,以实现对金属材料的表面强化是一种新的工艺技术。该技术具有对基体材料无限制,可以在廉价的基体表面获得性能优异的表面镀层,并可消除喷镀层的层状结构、大部分孔隙和氧化物夹杂等优点。形成的金属镀层均匀、致密、耐磨,且导电性能优异。 参考文献: [1]陈学定,韩文政.表面涂层技术[M].北京:机械工业出版社,1994. [2]王少龙,龙晋明,李爱莲,等.喷射电沉积技术的研究现状[J].电镀与环保,2003,23(3):4-7. [3]邓姝皓,龚竹青,陈文汩.电沉积纳米晶材料的研究现状与发展[J].电镀与涂饰,2001,20(4):35-39. [4]陈亚.现代实用电镀技术[M].北京:国防工业出版社,2003. [5]江山,潘勇,唐甜,等.喷射电沉积纳米晶镍镀层的制备与表征[J].湘潭大学自然科学学报,2004,26(3):61-65. [6]张魁武.国外激光熔覆材料、工艺和组织性能的研究[J].金属热处理,2002,27(6):1-8. [7]洪永昌,夏正文.不同基体和涂层激光重熔表面改性的研究现状与进展[J].电焊机,2005,11(11):35-39. [8]李志忠.激光表面强化[M].北京:机械工业出版社,1992. [9]李荻.电化学原理[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999:428-432. 注：本站部分资料需要安装PDF阅读器才能查看，如果你不能浏览文章全文，请检查你是否已安装PDF阅读器！ |
