錢王歡，繆小梅，秦 豐

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柔性受壓對鎢絲?鎳復合電鑄層微觀結(jié)構和抗拉強度的影響

錢王歡，繆小梅，秦 豐

(無錫職業(yè)技術學院機械技術學院，無錫 214121)

在鎢絲增強鎳的電鑄制造過程中，利用柔性壓緊輪補充電沉積區(qū)域的電鑄液，并摩擦與擠壓復合電鑄層，以提高鎢絲?鎳復合電鑄層的抗拉強度。研究柔性受壓條件對復合電鑄層表面形貌、斷口形貌和抗拉強度的影響。結(jié)果表明：柔性壓緊輪對復合電鑄層的摩擦與擠壓作用顯著減少表面孔隙并細化晶粒；其輸送電鑄液的作用能夠防止復合電鑄層內(nèi)部出現(xiàn)空洞；柔性受壓條件對復合電鑄層抗拉強度的提升效果隨著鎢絲體積分數(shù)的增加而越發(fā)顯著，當鎢絲體積分數(shù)為50%時，抗拉強度提升18%，達到1558 MPa。

柔性受壓；電鑄；抗拉強度；鎢絲；鎳

作為一種精密特種加工方法，電鑄技術利用金屬離子在陰極表面電沉積的原理進行零件的制造，廣泛應用于航空航天、精密模具以及兵器工業(yè)等高新技術領域[1?3]?？估瓘姸仁请婅T層重要性能指標，如何獲得高強度的電鑄層是目前電鑄技術的研究熱點之一。國內(nèi)外學者提出了多種手段以提升電鑄層的抗拉強度，包括細化晶粒[4?5]、磨擦輔助[6]、合金增強[7?8]、顆粒增強[9?11]、連續(xù)纖維增強[12?14]等。其中，連續(xù)纖維增強技術對電鑄層抗拉強度的提升作用非常顯著。從理論上來說，如果在電鑄層受載方向上加入大量高強度、高模量的連續(xù)纖維，那么在電鑄層受到拉伸時，這些高強度纖維能夠比金屬承受高得多的載荷，進而提升整個電鑄層的強度[15]。

歐洲宇航防務集團(EADS)的SUCHENTRUNK[12]將高強度的硼纖維、碳化硅纖維與金屬銅、鋁等進行復合電鑄，獲得的硼纖維?銅、碳化硅纖維?鋁復合電鑄層的抗拉強度分別達到1040 MPa與970 MPa。為了進一步提升連續(xù)纖維增強復合電鑄層的強度，研究者們大多采用加入更高強度增強纖維或提高增強纖維體積分數(shù)等方法，取得了一定的效果，但也遇到了不少的問題，譬如高體積分數(shù)下復合電鑄層內(nèi)部會出現(xiàn)嚴重空洞，以及纖維與電鑄金屬的結(jié)合性能不夠理想等問題[13?14]。這些問題嚴重制約了復合電鑄層強度的進一步提升。

為此，本文作者提出在柔性受壓條件下進行連續(xù)纖維增強電鑄的技術，并以鎢絲增強鎳為例，研究了柔性受壓條件對鎢絲?鎳復合電鑄層表面形貌、斷口形貌等微觀結(jié)構以及抗拉強度的影響。

1 實驗

1.1 試驗原理及裝置

柔性受壓電鑄制造技術的原理如圖1所示。在連續(xù)纖維增強金屬的電鑄制造過程中，密集纏繞于陰極表面的纖維會對溶液與離子的自然擴散產(chǎn)生一定的阻礙作用，導致復合電鑄層出現(xiàn)缺陷。為此，在電鑄過程中增加一柔性壓緊輪緊貼于陰極芯模。該柔性壓緊輪內(nèi)芯為不銹鋼，外層用海綿包裹，海綿的儲水作用可以不斷給密集纏繞在陰極表面的纖維簇內(nèi)部輸送新鮮電鑄液，保證電沉積的順利進行，防止內(nèi)部出現(xiàn)空洞；此外，柔性壓緊輪對復合電鑄層的摩擦和擠壓作用不僅能改善電沉積的結(jié)晶過程，還能促進副反應生成氫氣的排出。

圖1 實驗原理示意圖

試驗裝置如圖2所示。采用溶液外循環(huán)加熱的方式保證電鑄溫度的恒定。鎢絲在柔性壓緊輪的作用下緊貼于陰極芯模表面，電動機旋轉(zhuǎn)帶動鎢絲不斷纏繞在陰極芯模上，同時控制器帶動鎢絲在水平方向上做微小移動。由于金屬的沉積速度一定，因此通過調(diào)節(jié)電機的旋轉(zhuǎn)速度和水平軸的移動速度就可以控制加入鎢絲的體積分數(shù)。

圖2 實驗裝置示意圖

1.2 試驗過程

選用的鎢絲直徑為20 μm，抗拉強度為3250 MPa。鑒于電鑄鎳技術成熟、應用廣泛，因此選擇鎳作為電鑄金屬。溶液選擇常規(guī)的氨基磺酸鎳電鑄液，其組成如表1所列，為了減少影響因素，所用試劑均為分析純并使用去離子水配制，保持溶液pH值為4.5，溫度為43℃。

表1 電鑄液配方

試驗分別在柔性受壓和非柔性受壓兩種條件下進行。陽極采用INCO公司生產(chǎn)的高純度鎳珠，并用滌綸布包裹，防止陽極泥滲出。陰極為不銹鋼圓棒，經(jīng)過測算，沉積面積為0.5 dm2。

陰極芯模依次經(jīng)過除油、拋光、弱浸蝕等處理后放入電鑄槽。在電流密度為2 A/dm2的條件下，通過電量控制法制備出不同體積分數(shù)且厚度均為300 μm的鎢絲?鎳復合電鑄層。

在車床上將表面整平并去除表層多余的鎳，然后使用線切割慢走絲機將復合電鑄層切割成9 mm寬的環(huán)狀試件，最后用金相砂紙對線切割刃邊進行打磨和拋光。

抗拉強度在一臺INSTRON 2369型萬能材料拉伸試驗機上進行測試；試樣的表面形貌、斷口形貌等使用HITACHI 3400N型掃描電鏡進行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌

圖3所示為兩種條件下獲得的鎢絲?鎳復合電鑄層表面SEM像。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：未使用柔性壓緊輪獲得的電鑄層晶粒尺寸明顯大于5 μm；而在柔性受壓條件下獲得的電鑄層表面較為平整，晶粒尺寸僅為2 μm左右。這是因為在柔性受壓電鑄過程中，柔性壓緊輪不斷對陰極進行摩擦和擠壓，使得陰極表面的活化點以及位錯數(shù)目增多，因此更加容易得到細而多晶的沉積層[16]。而根據(jù)Hall-Petch關系，晶粒的細化可以顯著提高普通多晶金屬材料的強度[17]。

仔細對比圖3(a)和(b)還可以發(fā)現(xiàn)，柔性壓緊輪的應用可以顯著降低復合電鑄層表面孔隙。在電鑄過程中，當鎳離子被還原的同時, 氫離子也在陰極表面還原成氫原子，當達到一定量時，就形成了氫氣泡。由于陰極表面纏繞有鎢絲，氫氣泡進入溶液的通道被阻礙，只得吸附在鎢絲與陰極表面，導致這些地方的鎳沉積被阻礙，形成如圖3(a)所示的孔隙。而在柔性受壓條件下，柔性壓緊輪不斷摩擦和擠壓陰極表面，將吸附于陰極和鎢絲表面的氫氣泡有效地剝離下來，從而避免復合電鑄層表面形成孔隙。

圖3 不同條件下獲得的鎢絲?鎳復合電鑄層表面SEM像

2.2 斷口形貌

圖4所示為制得的鎢絲?鎳復合電鑄層的斷口形貌。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，非柔性受壓條件下獲得的復合電鑄層內(nèi)部出現(xiàn)了幾處較為明顯的空洞；而在柔性受壓條件下獲得的復合電鑄層則未出現(xiàn)明顯的空洞。

而在柔性受壓電鑄制造過程中，柔性壓緊輪表面的海綿可以源源不斷地向纏繞在陰極表面的鎢絲簇內(nèi)部“泵入”新鮮的電鑄液，使得電沉積順利進行；同時，壓緊輪對陰極的擠壓作用也能保證鎢絲與電沉積的鎳緊密結(jié)合，使得復合電鑄層內(nèi)部致密無空洞。

圖4 不同條件下獲得的鎢絲?鎳復合電鑄層斷口形貌

2.3 抗拉強度

圖 5 所示為鎢絲?鎳復合電鑄層在不同鎢絲體積分數(shù)下的抗拉強度。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，兩種條件下獲得的鎢絲?鎳復合電鑄層的抗拉強度均隨著鎢絲體積分數(shù)的升高而升高，但柔性受壓條件下獲得的復合電鑄層具有更高的強度。隨著鎢絲體積分數(shù)的升高，柔性受壓對復合電鑄層抗拉強度的提升效果越來越顯著，特別地，當鎢絲體積分數(shù)高于45%時，非柔性受壓條件下獲得的復合電鑄層強度已經(jīng)開始隨著鎢絲的增加而下降，而柔性受壓條件下獲得的復合電鑄層強度依然在上升。當鎢絲體積分數(shù)為50%時，柔性壓緊輪的應用使得復合電鑄層的抗拉強度從1320 MPa提高到1558 MPa，提升了18%。

在低纖維體積分數(shù)下，復合電鑄層表面出現(xiàn)孔隙、內(nèi)部出現(xiàn)空洞的問題并不突出，因此柔性壓緊裝置僅通過細化晶粒的方式來提升復合電鑄層的強度，效果并不明顯。但隨著鎢絲加入量的增多，尤是當鎢絲體積分數(shù)超過45%時，若不使用柔性壓緊輪，那么在纏有大量鎢絲的陰極電沉積區(qū)域內(nèi)生成的氫氣泡將會越來越難以逸出；外部新鮮的電鑄液則越來越難以穿透鎢絲簇而進入該區(qū)域，導致復合電鑄層表面孔隙和內(nèi)部空洞越來越嚴重，鎢絲與鎳基體的結(jié)合性能變差。受到拉伸時，較差的結(jié)合性能使得鎳基體無法順利地將應力傳遞給鎢絲，導致復合電鑄層在鎢絲還未起到足夠的增強作用時便因為鎳基體被破壞而斷裂失效了[18]。

圖5 不同鎢絲體積分數(shù)下復合電鑄層的抗拉強度

3 結(jié)論

1) 柔性壓緊輪的摩擦和擠壓作用能夠有效降低鎢絲?鎳復合電鑄層表面孔隙并細化鎳晶粒。

2) 柔性壓緊輪輸送電鑄液的作用能夠有效防止鎢絲?鎳復合電鑄層在高纖維體積分數(shù)下出現(xiàn)內(nèi)部空洞。

3) 柔性受壓條件下獲得的鎢絲?鎳復合電鑄層具有更高的抗拉強度，并且隨著鎢絲體積分數(shù)的升高，其對抗拉強度的提升作用越發(fā)明顯，當鎢絲體積分數(shù)達到50%時，制得的鎢絲?鎳復合電鑄層的抗拉強度可達1558 MPa。

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1、蜘蛛：能坐享其成，靠的就是那張關系網(wǎng)。2、蝦：大紅之日，便是大悲之時。3、天平：誰多給一點，就偏向誰。4、瀑布：因居高臨下，才口若懸河。5、鋸子：伶牙俐齒，專做離間行為。6、核桃：沒有華麗的外表，卻有充實的大腦。7、花瓶：外表再漂亮，也掩不住內(nèi)心的空虛。

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(編輯 王 超)

Influence of flexible compression on microstructure and tensile strength of W fiber reinforced Ni composites by electroforming

QIAN Wang-huan, MIAO Xiao-mei, QIN Feng

(School of Mechanical Technology, Wuxi Institute of Technology, Wuxi 214121, China)

During the electroforming of W fiber?Ni composites, the flexible compression wheel was applied to replenish the electrodeposition region with fresh solution and polish the deposition, which leads to the composites with higher tensile strength. The influences of flexible compression on the surface morphology, fracture morphology and tensile strength of the electroformed W fiber?Ni composites were investigated. The results show that the surface porosity and grain size of the depositions are reduced due to the friction and extrusion from the flexible compression wheel; the effect of solution supplement by the flexible compression wheel can prevent the generation of the internal voids; flexible compression can obviously increase the tensile strength of the composite, especially at high W fiber volume fraction. When the volume fraction of the W fiber is 50%, the W fiber?Ni composite electroformed with flexible compression shows the highest tensile strength of 1558 MPa, which is improved by 18%.

flexible compression; electroforming; tensile strength; W fiber; nickel

Project(51505192) supported by National Natural Science Foundation of China;Project supported by Science and Technology Innovation Team of Jiangsu Provincial University, China; Project supported by Qinglan Project of Jiangsu Province, China

2016-02-24; Accepted date:2016-06-30

QIAN Wang-huan; Tel: +86-510-81838721; E-mail:qianwanghuan@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.04.014

1004-0609(2017)-04-0776-05

TG662

A

國家自然科學基金資助項目(51505192)；江蘇高等學校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊項目；江蘇省高校“青藍工程”優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)項目

2016-02-24；

2016-06-30

錢王歡，講師，博士；電話：0510-81838721；E-mail: qianwanghuan@163.com