激光重熔納米晶鎳鍍層的研究

【簡介】

激光重熔納米晶鎳鍍層的研究

陳勁松1,黃因慧2,朱軍2,喬斌1,楊建明1

(1.淮海工學院機械工程學院,江蘇連云港222005;2.南京航空航天大學機電學院,江蘇南京210016)

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(jié)構(gòu)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(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一步提高。

關鍵詞：納米復合鍍層;噴射電鍍;激光重熔;顯微硬度

中圖分類號：TQ153文獻標識碼：A文章編號：1000-4742(2010)04-0017-04

0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(tǒng)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(yōu)勢,但其制備的納米晶體鍍層與基體之間的結(jié)合為機械結(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(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(jié)構(gòu)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(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),細化鍍層晶粒,提高鍍層的致密性,增強鍍層與金屬基體的結(jié)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(nèi),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(shù)

鍍液的組成及工藝參數(shù):

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(jīng)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(qū)動下,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(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(diào)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

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(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(jié)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(shù)為300層。

利用圖2中標尺標定后發(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(xù)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。

根據(jù)經(jīng)典電化學理論,金屬離子在電極表面放電生成的吸附原子形成高為h,臨界半徑為rc的二維晶核時,自由能變化為:

式(1)中:E為界面能,Z為放電離子攜帶的電荷數(shù),e為電子電荷,ηk為陰極過電位。式(2)中:K1,K2為常數(shù)。

由式(1),式(2)可知:過電位越大,則晶核的臨界尺寸越小,所以生成晶核的幾率或核的生成速率與過電位有直接關系。因此,隨著過電位的增加,成核速率增大,晶核數(shù)目增多。這就是在高的電流密度下能獲得結(jié)晶細致的鍍層的根本原因。在電鍍過程中,當峰值電流密度大于100A/dm2時,隨著電流密度的提高,鍍層晶粒尺寸也相應增大。分析表明:當電流密度超過100A/dm2時,陰極區(qū)域金屬離子沉積很快,在陰極和溶液界面中因還原反應而消耗的金屬鎳離子不能得到及時補充;電流密度的提高只會造成濃差極化加劇,沒有足夠的金屬離子被還原,從而使晶粒生長速率大于晶核的形成速率,結(jié)果造成鍍層晶粒尺寸隨電流密度增大而增大的現(xiàn)象。研究表明:電流密度對鍍層的表面影響比較大,當電流密度過低或過高時很難獲得致密性好的納米晶鍍鎳層。在電鍍層形成初期,優(yōu)先生成的晶核不僅為后續(xù)鎳離子提供了核心,它還會造成陰極表面微觀上的不平度,在尖端荷電效應作用的影響下,致使突起處鍍層的沉積速率明顯高于平坦處的沉積速率。因此,在相對較強的電場作用下,優(yōu)先成核處的鍍層生長速率進一步加快。而在新形成的陰極表面同樣會由于空間上沉積速率的差異,發(fā)生類似的正反饋過程。最終,每個結(jié)晶核心在空間中長成胞狀和樹狀多晶單元。從沉積層表面看,就是多個多晶單元的突起。當兩個多晶單元在平行于鍍層表面方向上相遇時,由于互相阻礙而停止生長;但在多晶單元之間留下間隙,造成鍍層微觀結(jié)構(gòu)上的疏松。

2.2脈沖電流密度對表面形貌的影響

圖3為鍍液流速為7.8m/s,噴嘴移動速率為10mm/s,電源占空比為1∶2的條件下,脈沖峰值電流密度分別為70A/dm2,100A/dm2和140A/dm2時的電鍍層的形貌圖。掃描層數(shù)為300層。由圖3可知:脈沖電源作用下的鍍層表面均由納米晶微粒組成,大部分晶粒尺寸在50~60nm之間。隨著脈沖峰值電流密度的增大,鍍鎳層表面的平整性得到了明顯的改善。當脈沖峰值電流密度為70A/dm2時,鍍鎳層表面形成了許多分布均勻的大微粒(與直流相比);當脈沖電流密度為100A/dm2時,鍍鎳層表面由較明顯的微粒組成,微粒大小不均;當脈沖電流密度增大到140A/dm2時,鍍鎳層表面微粒細小,鍍鎳層十分平整。這表明在脈沖電流條件下,沉積相同厚度時,使用高的峰值電流密度進行沉積易于獲得具有較好表面質(zhì)量的鍍層。

2.3激光重熔對直流納米晶鍍層形貌的影響

對噴射電鍍層進行激光重熔處理后,噴射納米晶鎳鍍層的整體形貌,如圖4所示。激光重熔層的熔道與預置鍍層的邊界整齊,鍍層的內(nèi)部組織均勻、致密,沒有明顯的缺陷,鍍層與基體結(jié)合良好。

從圖4可以清楚發(fā)現(xiàn),激光重熔后試樣的橫截面明顯存在三個區(qū)域:熔融區(qū)、熱影響區(qū)和基體。熱影響區(qū)又可以分為相變硬化帶和軟化帶。在45鋼的相變硬化帶內(nèi),由于激光加熱后的自身快速冷卻,生成的奧氏體和馬氏體晶粒度非常細小,材料的硬度和耐磨性均有一定的提高;軟化帶的寬度和光斑邊緣能量分布的陡峭程度和鋼本身抗回火能力有關,這個區(qū)的硬度比相變硬化帶的小,但仍然大于基體的。激光重熔使得鍍層經(jīng)歷了加熱熔化—冷卻凝固的過程,而且在快速的冷卻過程中,隨著固液界面向前推移,生長速率越來越快,晶粒的尺寸也變得越來越細小,促進了等軸晶的形成。激光重熔后鍍層組織結(jié)構(gòu)的變化是由于激光快速加熱和快速冷卻的加工特點所引起的。在熔池再結(jié)晶過程中,熔池底部有極大的成分過冷,結(jié)晶非常迅速。當激光掃描照射試件時,鍍層從熔化狀態(tài)急劇冷卻,晶核來不及長大,在重熔層中形成致密、細小的晶體結(jié)構(gòu)。因此,提高了噴鍍層的致密度。

2.4鍍層的顯微硬度

為了有效地說明不同的加工過程對鍍層的性能的影響,對鍍層的顯微硬度進行了對比分析。表1為基體、噴射電鍍層以及激光重熔鍍層的顯微硬度。可以看出:顯微硬度由基體材料時的2823MPa,經(jīng)過噴射電鍍后增加到5975MPa,通過激光重熔后達到6582MPa,顯微硬度得到較大提高。

由于激光束具有高能量密度,使鍍層和基體表面機械結(jié)合熔化成冶金結(jié)合,提高其結(jié)合強度。此外,激光熔化層是非平衡相,由化合物與高位錯密度的過飽和固溶體組成,鍍層在激光掃描后大溫度梯度的快速冷卻凝固中得到了細晶組織,使沉積層更加致密無孔。所以,與噴射鍍層相比,激光重融后的鍍層顯微硬度也相應提高。

3結(jié)語

將噴射電鍍與激光重熔結(jié)合起來用于金屬材料表面制備納米晶鍍層,以實現(xiàn)對金屬材料的表面強化是一種新的工藝技術(shù)。該技術(shù)具有對基體材料無限制,可以在廉價的基體表面獲得性能優(yōu)異的表面鍍層,并可消除噴鍍層的層狀結(jié)構(gòu)、大部分孔隙和氧化物夾雜等優(yōu)點。形成的金屬鍍層均勻、致密、耐磨,且導電性能優(yōu)異。

參考文獻:

[1]陳學定,韓文政.表面涂層技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.

[2]王少龍,龍晉明,李愛蓮,等.噴射電沉積技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].電鍍與環(huán)保,2003,23(3):4-7.

[3]鄧姝皓,龔竹青,陳文汩.電沉積納米晶材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電鍍與涂飾,2001,20(4):35-39.

[4]陳亞.現(xiàn)代實用電鍍技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[5]江山,潘勇,唐甜,等.噴射電沉積納米晶鎳鍍層的制備與表征[J].湘潭大學自然科學學報,2004,26(3):61-65.

[6]張魁武.國外激光熔覆材料、工藝和組織性能的研究[J].金屬熱處理,2002,27(6):1-8.

[7]洪永昌,夏正文.不同基體和涂層激光重熔表面改性的研究現(xiàn)狀與進展[J].電焊機,2005,11(11):35-39.

[8]李志忠.激光表面強化[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.

[9]李荻.電化學原理[M].北京:北京航空航天大學出版社,1999:428-432.