鍍鎳時(shí)間對(duì)鋁基復(fù)合材料化學(xué)鍍鎳的影響

范曉杰，楊 娜，高榆嵐，徐冬霞，牛濟(jì)泰

（1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700；2.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

SiCp/Al復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度、高比剛度、密度小、熱膨脹系數(shù)小等特性成為研究最為成熟且應(yīng)用最廣泛的鋁基復(fù)合材料，作為高性能結(jié)構(gòu)材料替代傳統(tǒng)電子封裝材料應(yīng)用于航空航天、汽車制造、儀器儀表等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域[1-4]。但是SiC陶瓷增強(qiáng)相與鋁基體間存在較大的物理化學(xué)性能，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中表現(xiàn)出焊接性較差[5-7]。為此，學(xué)者認(rèn)為在鋁基復(fù)合材料表面覆蓋金屬保護(hù)層，利用涂層和高溫氧化等常用的表面改性方法，可以防止界面過度反應(yīng)，改善復(fù)合材料的成形性能以及界面潤濕性：文獻(xiàn)在SiC顆粒鎂基復(fù)合材料表面涂覆金屬層，鎂基體和SiC顆粒之間的潤濕性得到了顯著改善[8]。學(xué)者通過在SiC顆粒上化學(xué)沉積金屬層（如Ni、Cu和Ti），發(fā)現(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料相對(duì)密度和基體強(qiáng)度得到了顯著的提高[9,10]。因此，涂層和高溫氧化等界面結(jié)構(gòu)調(diào)控方法，一方面，使得金屬鍍層能與復(fù)合材料基體結(jié)合牢固，提高界面結(jié)合強(qiáng)度；另一方面，金屬鍍層可以改善釬焊工藝中釬料對(duì)復(fù)合材料的潤濕性，提高接頭的致密性和力學(xué)性能[11-13]。

本文采用化學(xué)鍍鎳方法對(duì)SiCp/6063Al復(fù)合材料進(jìn)行表面處理，分析了不同鍍鎳時(shí)間對(duì)SiCp/6063Al復(fù)合材料化學(xué)鍍鎳的影響。本文研究成果為后期鍍鎳鋁基復(fù)合材料釬焊接頭組織和性能的研究提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)于其他含有大量陶瓷相的復(fù)合材料的表面處理具有重要借鑒價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為60vol% SiCp/Al復(fù)合材料，采用真空自滲復(fù)合高壓浸滲法制備[14]，其基體為6063Al合金，增強(qiáng)相為SiC顆粒，抗拉強(qiáng)度為370MPa。60vol% SiCp/6063Al復(fù)合材料經(jīng)金相觀察，材料組織結(jié)構(gòu)致密，無裂紋等缺陷，組織結(jié)構(gòu)中SiC顆粒大小分布不一，但呈現(xiàn)均勻分布的特點(diǎn)。經(jīng)DSC測定，該復(fù)合材料的固液相線區(qū)間為620℃～640℃。

本文采用化學(xué)鍍的方法對(duì)試樣進(jìn)行鍍鎳，是指在60vol% SiCp/6063Al復(fù)合材料表面進(jìn)行處理，使鎳溶液中的鎳離子參與催化還原反應(yīng)，最終在復(fù)合材料表面生成金屬鎳的過程?；瘜W(xué)鍍鎳工藝流程具體見圖1所示。在化學(xué)鍍鎳的過程中，由于復(fù)合材料表面生成的金屬鎳仍然參與鎳離子的氧化還原反應(yīng)，因此復(fù)合材料表面金屬鎳層的厚度隨著時(shí)間的增加而表現(xiàn)出厚度逐漸增加的趨勢，鍍鎳時(shí)間的長短決定著鎳層的厚度。由于化學(xué)鍍鎳后復(fù)合材料表面鎳層主要成分為鎳磷合金，因此化學(xué)鍍鎳后試件更具有金屬光澤，鍍層表面胞狀組織結(jié)構(gòu)結(jié)合緊密，無孔洞、疏松等缺陷，有利于釬焊時(shí)形成良好的釬焊接頭。

圖1 化學(xué)鍍鎳工藝流程圖

鍍鎳時(shí)間是化學(xué)鍍鎳的主要工藝參數(shù)之一，在化學(xué)鍍鎳過程中，鎳離子的沉積速率與鍍鎳時(shí)間成反比，隨著鍍鎳時(shí)間的增加，鍍鎳層硬度先增加后降低[15,16]。采用同種復(fù)合材料，化學(xué)鍍鎳操作方法和鍍液配備均相同的情況下通過改變鍍鎳時(shí)間，對(duì)比研究鍍鎳時(shí)間對(duì)SiCp/6063Al復(fù)合材料表面鍍鎳的影響。本文鍍鎳試驗(yàn)中化學(xué)鍍溫度設(shè)置為75℃，鍍液pH值設(shè)置為8.5，通過鍍鎳時(shí)間的變化得到不同厚度的鎳層，根據(jù)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的參考，鍍鎳時(shí)間設(shè)置為5min、10min、15min、20min和30min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 鍍鎳時(shí)間對(duì)鍍層表面微觀形貌的影響

通過掃描電鏡對(duì)上述不同鍍鎳時(shí)間的復(fù)合材料進(jìn)行表面微觀觀察（如圖2所示），對(duì)比不同鍍鎳時(shí)間的復(fù)合材料表面微觀形貌圖，發(fā)現(xiàn)5組復(fù)合材料表面鎳層胞狀組織結(jié)構(gòu)雖然尺寸大小不一，但是結(jié)合緊密，無空洞和疏松等缺陷出現(xiàn)。

圖2 不同鍍鎳時(shí)間下鍍鎳層的微觀形貌

鍍鎳層胞狀組織尺寸大小不一主要是因?yàn)閮?yōu)先生長的胞塊在沿垂直固液界面推移的同時(shí)向側(cè)面長大，相鄰胞塊的生長被阻礙[17]，因此鎳層表面前期形成了較大尺寸的胞狀組織。從圖2鍍鎳5min～30min的5組鎳層微觀形貌的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，鍍鎳前期（施鍍5min）鍍層胞狀組織大小分布不均勻，且鎳核比較小，鎳核間存在一定縫隙。隨著鍍鎳時(shí)間的增加（施鍍15min），鎳層沉積速率降低，鍍層胞狀組織較施鍍5min而言表現(xiàn)的更加均勻，且大尺寸胞狀組織間生成小的胞狀組織，使得胞狀組織更加致密均勻，無縫隙存在。當(dāng)鍍鎳為30min時(shí)，隨著鎳層的沉積，鍍層表面胞狀組織尺寸進(jìn)一步增加，而且更加均勻和連續(xù)。

2.2 鍍鎳時(shí)間對(duì)鍍層厚度的影響

為了對(duì)復(fù)合材料表面鎳層厚度進(jìn)行量化表示，鎳層厚度可以選取以下公式計(jì)算：

式中δ表示鍍鎳層厚度，um；m1表示試件鍍鎳后的質(zhì)量，g；m2表示試件鍍鎳前的質(zhì)量，g；ρ表示鍍鎳層的密度，g/cm3；S表示試件表面積，mm2。

通過對(duì)不同鍍鎳時(shí)間復(fù)合材料表面鎳層厚度的計(jì)算，得到鍍層厚度和鍍鎳時(shí)間的關(guān)系，具體如圖3所示(a)5min(b)10min(c)15min(d)20min(e)30min。

圖3 鍍層厚度和鍍鎳時(shí)間非線性擬合曲線

從圖3可以看出，由于鍍液中鎳離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)使得復(fù)合材料表面形成一定厚度的鎳層，而復(fù)合材料鎳層沉積速度也隨著溶液中鎳離子濃度的降低而減小。因此根據(jù)上述不同施鍍時(shí)間鎳層厚度的變化規(guī)律，選用冪指函數(shù)關(guān)系式對(duì)圖3中5組數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，可以得到鍍層厚度δ(μm)和化學(xué)鍍時(shí)間t(min)的關(guān)系：δ=0.8077t0.6605。

結(jié)合復(fù)合材料表面鎳層微觀結(jié)構(gòu)形貌的分析結(jié)果，認(rèn)為鍍鎳初期由于鍍液中鎳離子濃度較大，因此發(fā)生氧化還原反應(yīng)劇烈，在復(fù)合材料表面快速生成鎳層，但此時(shí)鎳層厚度比較薄且不均勻；隨著鍍鎳時(shí)間的增加，鎳層表面胞狀組織繼續(xù)生成，鎳層均勻，厚度增加且不斷粗化長大，獲得質(zhì)量均勻的鍍層僅靠延長鍍鎳時(shí)間不一定能達(dá)到要求，因此鍍鎳時(shí)間的設(shè)定不僅需要考慮鍍鎳速率，還要結(jié)合鍍層質(zhì)量。

2.3 鍍鎳時(shí)間對(duì)鍍層與基體結(jié)合強(qiáng)度的影響

(a),(b),(c),(d),(e)分別為鍍鎳5min,10min,15min,20min and 30min劃痕形貌；(f),(g),(h),(i),(j)分別為鍍鎳5min,10min,15min,20min and 30min結(jié)合力。

本文參照《金屬鍍層附著強(qiáng)度試驗(yàn)方法》對(duì)復(fù)合材料表面鎳層進(jìn)行劃痕試驗(yàn)以此來檢測鎳層與復(fù)合材料基體間的結(jié)合力大小。鎳層與復(fù)合材料的結(jié)合力表征了鎳層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，是衡量化學(xué)鍍件質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[18,19]。根據(jù)試驗(yàn)方法在劃痕試驗(yàn)過程中記錄試驗(yàn)材料的聲發(fā)射信號(hào)，如果在劃動(dòng)作用下鍍層與基體發(fā)生剝離將發(fā)出聲發(fā)射信號(hào)，由此檢測到的聲發(fā)射信號(hào)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的載荷為鍍層與基體結(jié)合失效的臨界載荷。通過金屬鍍層附著強(qiáng)度試驗(yàn)得到不同鍍鎳時(shí)間條件下鍍層的劃痕形貌及聲發(fā)射曲線，具體見圖4所示。從圖4中可以看出，鍍鎳時(shí)間為5min、10min時(shí)鍍層與基體結(jié)合力的臨界載荷分別為8.85N和22N，當(dāng)鍍鎳時(shí)間分別為15min,20min和30min時(shí)臨界載荷增加為41N、58N和60N，由此可見隨著鍍鎳時(shí)間的增加，鍍層與基體的結(jié)合力是逐漸增加的。當(dāng)鍍鎳時(shí)間由20min增加到30min時(shí)，臨界載荷僅增加2N，說明隨著時(shí)間的增加臨界載荷增加的幅度有所減小，區(qū)域穩(wěn)定。因此認(rèn)為鍍鎳30min為鍍鎳的最佳時(shí)間，從劃痕形貌來看，鍍層在劃痕界面邊緣清晰，沒有裂紋和起皮出現(xiàn)，同時(shí)說明鍍層與基體結(jié)合良好。與學(xué)者[20]在化學(xué)鍍鎳后復(fù)合材料表面沉積致密、均勻、結(jié)合良好的鍍鎳層的研究結(jié)果相比，本實(shí)驗(yàn)具有鍍鎳時(shí)間短，鍍鎳層外觀良好，內(nèi)部組織致密，結(jié)合力強(qiáng)，并且不會(huì)對(duì)焊縫、玻璃構(gòu)件等造成腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 不同鍍鎳時(shí)間下鍍層的劃痕形貌及聲發(fā)射曲線

3 結(jié)論

鋁基復(fù)合材料鍍鎳初期由于鎳層氧化還原反應(yīng)劇烈，鎳層生成速率較快，造成基體材料表面鎳層較薄，胞狀組織大小分布不均勻，且存在一定縫隙；隨著鍍鎳時(shí)間的增加，胞狀組織變得更加致密均勻，無縫隙存在；當(dāng)施鍍30min時(shí)，鍍層表面的胞狀組織逐漸變大，復(fù)合材料表面的鍍層均勻且連續(xù)，是非常理想的鍍層效果。

在化學(xué)鍍30min時(shí)間內(nèi)鍍層厚度和鍍鎳時(shí)間表現(xiàn)為冪指函數(shù)關(guān)系。隨著化學(xué)鍍鎳時(shí)間的延長，鍍層可以達(dá)到厚度均勻的狀態(tài)，但因?yàn)殄儗訒?huì)不斷粗化長大，延長時(shí)間并不一定能保證鍍層質(zhì)量均勻，因此需要綜合考慮鍍速與鍍層質(zhì)量兩方面的因素來選擇鍍鎳時(shí)間。

通過鍍層與基體結(jié)合強(qiáng)度分析可知，化學(xué)鍍時(shí)間超過20min后，鍍層與基體出現(xiàn)剝離時(shí)的臨界載荷接近60N，另外鍍層在劃痕界面邊緣清晰，沒有裂紋和起皮出現(xiàn)，說明了鍍層與基體結(jié)合良好。