梁瑩 *，劉志強，冮冶，張春剛，劉明月

（1.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司，遼寧 沈陽 110043；2.中國科學院沈陽金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

粉體粒度對鎳/Ti3SiC2復合鍍層耐磨性的影響

梁瑩1,*，劉志強1，冮冶1，張春剛1，劉明月2

（1.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司，遼寧 沈陽 110043；2.中國科學院沈陽金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

采用電沉積法制備了 Ni/Ti3SiC2復合鍍層。鍍液組成和工藝條件為：NiSO4·6H2O 250 g/L，NiCl2·6H2O 45 g/L，H3BO340 g/L，Ti3SiC2粉體 35 g/L，pH 4.0，溫度(55 ± 1)℃，攪拌速率400 r/min，電流密度0.65 A/dm2，時間30 min。研究了Ti3SiC2粉體粒度對 Ni/Ti3SiC2復合鍍層耐磨性的影響。結(jié)果表明，隨Ti3SiC2粉體粒度減小，復合鍍層的表面粗糙度減小，耐磨性提高。經(jīng)磨損試驗后，Ni/Ti3SiC2復合鍍層未出現(xiàn)裂紋或剝落等嚴重的磨損現(xiàn)象，說明Ni/Ti3SiC2復合鍍層具有良好的耐磨性。

鎳；鈦硅碳；復合電沉積；粒度；耐磨性

鎳基復合鍍層是最早開始研究的一類金屬基復合鍍層，將耐高溫的陶瓷顆粒作為共沉積相來制備鎳基復合鍍層通常具有較單金屬鍍層或合金鍍層更優(yōu)異的性能[1]。Ti3SiC2是三元層狀陶瓷(MAX相)中最具代表性的一種材料，具有高的剛性、可加工性、抗損傷容限，良好的抗熱震性、高溫抗氧化性，以及較低的硬度和剪切強度[2-4]。因此，將Ti3SiC2顆粒摻雜到Ni基質(zhì)中有望提高Ni鍍層的性能，進而拓寬Ni基復合材料在高溫領(lǐng)域的應用。采用傳統(tǒng)的高溫冶煉或粉末冶金等方法時，高溫過程會使Ni基質(zhì)與Ti3SiC2發(fā)生擴散或化學反應而破壞材料的性能[5]。因此，制備Ni/Ti3SiC2復合材料需在較低溫度下進行。電化學沉積是制備Ni/Ti3SiC2復合鍍層的一種簡單可行的方法，因為Ti3SiC2具有良好的導電性(電導率4.5 × 106S/m)，金屬Ni可直接沉積在Ti3SiC2顆粒表面，Ti3SiC2顆粒也就更容易被包埋于復合鍍層中。筆者已采用復合電鍍法成功制備Ni/Ti3SiC2復合鍍層[6]。研究表明，與純Ni鍍層相比，Ni/Ti3SiC2復合鍍層的硬度有了顯著提高，力學性能更好。同時發(fā)現(xiàn)，雖然Ni/Ti3SiC2復合鍍層具有較好的耐磨性，但復合鍍層的摩擦因數(shù)變化曲線波動大，純Ni鍍層具有更低的摩擦因數(shù)，主要是由于Ti3SiC2粉體的加入使Ni鍍層的表面粗糙度增大。眾所周知，材料表面的粗糙程度會影響其耐磨性能。如果采用更小粒度的Ti3SiC2粉體制備Ni/Ti3SiC2復合鍍層，那么其表面粗糙度也會隨之發(fā)生變化，這勢必對鍍層的耐磨性有影響。因此本文著重研究了Ti3SiC2粉體粒度對 Ni/Ti3SiC2復合鍍層表面粗糙程度及耐磨性的影響。

1 實驗

1.1 Ti3SiC2粉體的制備

Ti3SiC2粉體由固-液相反應法制備[7]，將接近化學計量比的元素粉末Ti、Si、Al和石墨經(jīng)球磨混合后，在氬氣保護下于高溫燒結(jié)爐中1 550 ℃保溫1 h。將所得Ti3SiC2球磨1 d或7 d后干燥過篩，得到平均粒度分別為4.4 μm和0.5 μm的Ti3SiC2粉末(分別標記為4.4μ-TSC 和 0.5μ-TSC)。

1.2 Ni/Ti3SiC2復合鍍層的制備

復合電鍍在 PARSTAT 2273電化學工作站(美國普林斯頓)上進行，陰極是尺寸為25.0 mm × 5.0 mm ×2.5 mm的不銹鋼，陽極為純鎳片，極間距2 cm。鍍液組成與工藝條件為：NiSO4·6H2O 250 g/L，NiCl2·6H2O 45 g/L，H3BO340 g/L，Ti3SiC2粉體35 g/L，pH 4.0，溫度(55 ± 1)℃，攪拌速率400 r/min，電流密度0.65 A/dm2，時間30 min。由4.4μ-TSC、0.5μ-TSC制得的復合鍍層分別標記為Ni/4.4μ-TSC和Ni/0.5μ-TSC。

1.3 性能表征

采用配有能譜儀(EDS)的Nova NanoSEM 430掃描電子顯微鏡(SEM，日本FEI)觀察Ni/Ti3SiC2復合鍍層的表面微觀形貌。

采用 LEXT OLS4000激光共聚焦顯微鏡(日本OLYMPUS)測量鍍層的表面粗糙度，并在 3D模式下觀察鍍層的表面形，每個試樣取 3個不同位置進行測定，取平均值。

鍍層的耐磨性能采用刻劃試驗法，都在UMT-2多功能測試儀(美國CETR)上進行，該儀器的工作模式如圖1所示。

圖1 刻劃實驗裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the setup for scratch test

實驗過程中將樣品固定在樣品支撐臺上，采用球形頂端(直徑0.4 mm)、圓錐角為120°的圓錐形金剛石刻劃壓頭接觸并刻劃鍍層表面，刻劃壓頭的照片如圖2所示。法向壓力由橫梁通過彈簧片和刻劃壓頭施加于試樣上，可以進行旋轉(zhuǎn)式、直線式或往復式運動。本文采用的是直線式運動，施加于試樣上的載荷采用線性加載方式，即由2 g線性加載至300 g，加載速率為1.46 N/min；刻劃長度為10 mm；刻劃時間為2 min。摩擦因數(shù)由摩擦力(Fx)和法向載荷(Fz)計算得到，這兩項結(jié)果由計算機記錄。實驗在室溫下進行，相對濕度為50%。利用Nova NanoSEM 430掃描電子顯微鏡觀察刻劃后鍍層表面的劃痕及形貌。

圖2 刻劃壓頭的特寫照片F(xiàn)igure 2 Close-up view of scratch indenter

2 結(jié)果與討論

2.1 Ti3SiC2粉體粒度對鍍層形貌和粗糙度的影響

圖3為球磨不同時間所得TSC粉體的形貌。

圖3 球磨不同時間后Ti3SiC2粉末的SEM照片F(xiàn)igure 3 SEM images of Ti3SiC2 powders after ball milling for different time

從圖3可知，與球磨1 d的4.4μ-TSC粉體相比，球磨7 d的0.5μ-TSC具有更小的粒度。二者制備的鎳基復合鍍層形貌見圖4。從圖4可知，由粒度較大的粉體制備的 Ni/4.4μ-TSC復合鍍層中，Ti3SiC2顆粒多呈較大片狀形貌，鍍層表面更加粗糙不平。

為更直觀、清楚地觀察復合鍍層的表面粗糙度，在激光共聚焦顯微鏡的三維模式下觀察鍍層，結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，Ni/0.5μ-TSC復合鍍層的表面比 Ni/4.4μ-TSC復合鍍層更平整。這說明降低鍍液中Ti3SiC2粉體的粒度，可明顯降低Ni/0.5μ-TSC復合鍍層的表面粗糙度。

表1為鍍層的表面粗糙度測試結(jié)果。

圖4 不同粒徑Ti3SiC2制備的Ni/Ti3SiC2復合鍍層SEM照片F(xiàn)igure 4 SEM images of Ni/Ti3SiC2 composite coatings using Ti3SiC2 with different particle sizes

圖5 Ni/Ti3SiC2復合鍍層的表面粗糙度三維照片F(xiàn)igure 5 Three-dimensional photos for surface roughness of Ni/Ti3SiC2 composite coating

表1 Ni/Ti3SiC2復合鍍層的表面粗糙度Table 1 Surface roughness of Ni/Ti3SiC2composite coatings

從表 1可知，粉體粒度越小，對應的復合鍍層表面粗糙度越小，耐磨性也更好。這是因為Ti3SiC2顆粒本身具有較高的硬度，其彌散分布于Ni基質(zhì)中，使鍍層受到硬質(zhì)點彌散強化。Ti3SiC2的粒度越大，基質(zhì)金屬Ni對其包裹的體積也越大，結(jié)晶較粗大，強化效果也相對較差。

2.2 Ti3SiC2粉體粒度對鍍層耐磨性的影響

圖6為Ni/4.4μ-TSC和Ni/0.5μ-TSC復合鍍層的摩擦因數(shù)隨刻劃時間變化的曲線。

圖6 Ni/Ti3SiC2復合鍍層摩擦因數(shù)隨刻劃時間的變化Figure 6 Variation of friction coefficient of Ni/Ti3SiC2 composite coating with scratch time

與Ni/4.4μ-TSC復合鍍層相比，Ni/0.5μ-TSC復合鍍層的摩擦因數(shù)變化曲線波動較小，摩擦因數(shù)也明顯降低。這與鍍層的表面粗糙度有關(guān)，說明通過降低鍍液中的粉體粒度可以改善鍍層耐磨性。

圖7為復合鍍層經(jīng)刻劃試驗后的SEM照片。

圖7 刻劃試驗后Ni/Ti3SiC2復合鍍層的SEM照片F(xiàn)igure 7 SEM images of Ni/Ti3SiC2 composite coatings after scratch test

從圖 7可知，刻劃壓頭沒有劃破復合鍍層而碰到基體，鍍層的磨痕都很淺，呈現(xiàn)平實的形貌。鍍層中的Ni晶?；騎i3SiC2顆粒被壓實，沒有出現(xiàn)凹坑、剝落或裂紋等嚴重的磨損現(xiàn)象，表明復合鍍層具有良好的耐磨性。

3 結(jié)論

Ti3SiC2粉體粒度越小，制備的 Ni/Ti3SiC2復合鍍層表面粗糙度越小，其耐磨性也相應提高?？虅澰囼灪?，Ni/Ti3SiC2復合鍍層的磨痕淺、Ni晶粒和 Ti3SiC2顆粒被壓實，并未出現(xiàn)裂紋或剝落等嚴重的磨損現(xiàn)象，具有良好的耐磨性。但在保證Ni/Ti3SiC2復合鍍層有良好耐磨性的同時，也應關(guān)注其抗氧化和耐蝕等性能，這有待進一步研究。

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[1]郭鶴桐, 張三元.復合電鍍技術(shù)[M].北京: 化學工業(yè)出版社, 2007.

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Influence of particle size on wear resistance of nickel/Ti3SiC2composite coating

LIANG Ying*, LIU Zhi-qiang, GANG Ye, ZHANG Chun-gang, LIU Ming-yue

Ni/Ti3SiC2composite coatings were prepared by electrodeposition from a bath containing NiSO4·6H2O 250 g/L,NiCl2·6H2O 45 g/L, H3BO340 g/L, and Ti3SiC2particles 35 g/L at temperature (55 ± 1)℃, pH 4.0, agitation rate 400 r/min, and current density 0.65 A/dm2for 30 min.The effect of Ti3SiC2particle size on wear resistance of Ni/Ti3SiC2composite coating was studied.Results show that the decrease of Ti3SiC2particle size reduces the roughness of Ni/Ti3SiC2composite coating, improving its wear resistance accordingly.There is no serious abrasion phenomenon like cracking or peeling on Ni/Ti3SiC2composite coating surface after abrasion test, illustrating that Ni/Ti3SiC2composite coating has excellent wear resistance.

nickel; titanium silicon carbide; composite electrodeposition; particle size; wear resistance

Shenyang Liming Aero-Engine Group Corporation Ltd., Shenyang 110043, China

TQ153.2

A

1004-227X (2013)11-0018-03

2013-03-31

2013-08-07

梁瑩（1983-），女，遼寧沈陽人，博士，工程師，主要從事表面處理技術(shù)及應用研究。

(E-mail)yliang.avic@gmail.com。

周新莉]