范曉杰，楊 娜，高榆嵐，徐冬霞，牛濟泰

（1.貴州工程應用技術學院機械工程學院，貴州 畢節(jié) 551700；2.河南理工大學材料科學與工程學院，河南 焦作 454000）

SiCp/Al復合材料由于其高比強度、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用最廣泛的鋁基復合材料，作為高性能結構材料替代傳統(tǒng)電子封裝材料應用于航空航天、汽車制造、儀器儀表等產(chǎn)業(yè)領域[1-4]。但是SiC陶瓷增強相與鋁基體間存在較大的物理化學性能，在實際生產(chǎn)應用中表現(xiàn)出焊接性較差[5-7]。為此，學者認為在鋁基復合材料表面覆蓋金屬保護層，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，改善復合材料的成形性能以及界面潤濕性：文獻在SiC顆粒鎂基復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]。學者通過在SiC顆粒上化學沉積金屬層（如Ni、Cu和Ti），發(fā)現(xiàn)SiCp/Al復合材料相對密度和基體強度得到了顯著的提高[9,10]。因此，涂層和高溫氧化等界面結構調(diào)控方法，一方面，使得金屬鍍層能與復合材料基體結合牢固，提高界面結合強度；另一方面，金屬鍍層可以改善釬焊工藝中釬料對復合材料的潤濕性，提高接頭的致密性和力學性能[11-13]。

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

1 試驗材料與方法

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

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

圖1 化學鍍鎳工藝流程圖

鍍鎳時間是化學鍍鎳的主要工藝參數(shù)之一，在化學鍍鎳過程中，鎳離子的沉積速率與鍍鎳時間成反比，隨著鍍鎳時間的增加，鍍鎳層硬度先增加后降低[15,16]。采用同種復合材料，化學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間，對比研究鍍鎳時間對SiCp/6063Al復合材料表面鍍鎳的影響。本文鍍鎳試驗中化學鍍溫度設置為75℃，鍍液pH值設置為8.5，通過鍍鎳時間的變化得到不同厚度的鎳層，根據(jù)對相關文獻的參考，鍍鎳時間設置為5min、10min、15min、20min和30min。

2 試驗結果及討論

2.1 鍍鎳時間對鍍層表面微觀形貌的影響

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

圖2 不同鍍鎳時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為優(yōu)先生長的胞塊在沿垂直固液界面推移的同時向側面長大，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。當鍍鎳為30min時，隨著鎳層的沉積，鍍層表面胞狀組織尺寸進一步增加，而且更加均勻和連續(xù)。

2.2 鍍鎳時間對鍍層厚度的影響

為了對復合材料表面鎳層厚度進行量化表示，鎳層厚度可以選取以下公式計算：

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。

通過對不同鍍鎳時間復合材料表面鎳層厚度的計算，得到鍍層厚度和鍍鎳時間的關系，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)生氧化還原反應使得復合材料表面形成一定厚度的鎳層，而復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)上述不同施鍍時間鎳層厚度的變化規(guī)律，選用冪指函數(shù)關系式對圖3中5組數(shù)據(jù)進行非線性擬合，可以得到鍍層厚度δ(μm)和化學鍍時間t(min)的關系：δ=0.8077t0.6605。

結合復合材料表面鎳層微觀結構形貌的分析結果，認為鍍鎳初期由于鍍液中鎳離子濃度較大，因此發(fā)生氧化還原反應劇烈，在復合材料表面快速生成鎳層，但此時鎳層厚度比較薄且不均勻；隨著鍍鎳時間的增加，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間不一定能達到要求，因此鍍鎳時間的設定不僅需要考慮鍍鎳速率，還要結合鍍層質(zhì)量。

2.3 鍍鎳時間對鍍層與基體結合強度的影響

(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結合力。

本文參照《金屬鍍層附著強度試驗方法》對復合材料表面鎳層進行劃痕試驗以此來檢測鎳層與復合材料基體間的結合力大小。鎳層與復合材料的結合力表征了鎳層與基體材料的結合強度，是衡量化學鍍件質(zhì)量的重要指標之一[18,19]。根據(jù)試驗方法在劃痕試驗過程中記錄試驗材料的聲發(fā)射信號，如果在劃動作用下鍍層與基體發(fā)生剝離將發(fā)出聲發(fā)射信號，由此檢測到的聲發(fā)射信號時間節(jié)點的載荷為鍍層與基體結合失效的臨界載荷。通過金屬鍍層附著強度試驗得到不同鍍鎳時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，鍍鎳時間為5min、10min時鍍層與基體結合力的臨界載荷分別為8.85N和22N，當鍍鎳時間分別為15min,20min和30min時臨界載荷增加為41N、58N和60N，由此可見隨著鍍鎳時間的增加，鍍層與基體的結合力是逐漸增加的。當鍍鎳時間由20min增加到30min時，臨界載荷僅增加2N，說明隨著時間的增加臨界載荷增加的幅度有所減小，區(qū)域穩(wěn)定。因此認為鍍鎳30min為鍍鎳的最佳時間，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)，同時說明鍍層與基體結合良好。與學者[20]在化學鍍鎳后復合材料表面沉積致密、均勻、結合良好的鍍鎳層的研究結果相比，本實驗具有鍍鎳時間短，鍍鎳層外觀良好，內(nèi)部組織致密，結合力強，并且不會對焊縫、玻璃構件等造成腐蝕等優(yōu)點。

圖4 不同鍍鎳時間下鍍層的劃痕形貌及聲發(fā)射曲線

3 結論

鋁基復合材料鍍鎳初期由于鎳層氧化還原反應劇烈，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；隨著鍍鎳時間的增加，胞狀組織變得更加致密均勻，無縫隙存在；當施鍍30min時，鍍層表面的胞狀組織逐漸變大，復合材料表面的鍍層均勻且連續(xù)，是非常理想的鍍層效果。

在化學鍍30min時間內(nèi)鍍層厚度和鍍鎳時間表現(xiàn)為冪指函數(shù)關系。隨著化學鍍鎳時間的延長，鍍層可以達到厚度均勻的狀態(tài)，但因為鍍層會不斷粗化長大，延長時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間。

通過鍍層與基體結合強度分析可知，化學鍍時間超過20min后，鍍層與基體出現(xiàn)剝離時的臨界載荷接近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合良好。