AlSi10Mg 基体的 SiCp/Al 复合材料：激光选区熔化成型技术的应用前景

AlSi10Mg 基体的 SiCp/Al 复合材料：激光选区熔化成型技术的应用前景

铝合金具有流动性好、热裂倾向小、气密性好、收缩率小等显著优点，以及强度高、力学性能好等特点，在汽车、航空航天等领域得到了广泛的应用。新型基体碳化硅颗粒增强铝基（SiCp/Al）复​​合材料具有质量轻、热导率高、抗热震性好、比刚度高、抗磁性和抗冲击性好、膨胀系数小、密度适中等一系列性能特点，被认为是当代具有较高应用价值的复合材料之一。选区激光熔化（SLM）成形技术是近年来最先进的增材制造技术之一，该方法利用高功率密度激光将粉末逐点、逐线、逐层熔化，大大缩短了零件的制造周期。 采用选区激光熔化（SLM）技术制备的SiCp/Al复合材料具有较高的综合性能，在国防军事、航空航天、民用、电子封装等领域得到了广泛的应用。但该技术制备的SiCp/Al复合材料仍然存在硬度低、耐磨性差、加工困难等缺点，化学镀是解决这些问题的有效方法。

化学镀是材料表面改性技术的重要方法之一，其成本低廉、设备简单、镀层均匀，可用于形状复杂的物体，因此受到学者们的广泛研究。化学镀时间是影响镀层厚度、硬度、表面形貌等的关键因素，但有关化学镀时间的研究较少，特别是针对SLM成形SiCp/Al复合材料的研究。本文采用化学镀的方法在激光选区熔化（SLM）技术成形的SiCp/Al复合材料表面制备Ni-P镀层，并研究了化学镀时间对镀层微观形貌、厚度、硬度、结合强度等方面的影响。

实验部分

1.1 材料

本实验所采用的实验原材料为采用激光选区熔化（SLM）技术制备的SiCp/Al复合材料，SiCp/Al复合材料基体为球形颗粒，平均粒径为30μm；增强颗粒为SiC颗粒，平均粒径为10μm，颗粒形状为多边形。

实验所需原材料如表1所示。

表1 实验原料

表2 合金化学成分

1.2 实验方法

采用二次镀锌预处理工艺对SiCp/Al复合材料进行预处理，具体工艺步骤及条件如表3所示。每步之间必须用去离子水冲洗样品，防止上一步的残液进入下一步。碱性预镀和化学镀均在水浴中进行，镀1h后更换另一份相同浓度的新镀液，直至设定的镀覆时间完成。

1.3 性能测试

1.3.1 表面形貌和截面厚度

利用扫描电子显微镜对镀层组织进行观察分析,利用EDS能谱仪对镍磷镀层成分进行分析。

试样镶嵌丙烯酸粉末后，用粗糙度为240#、600#、1000#、1500#的金相砂纸对横截面进行打磨，然后使用扫描电子显微镜检测涂层厚度，在涂层横截面上取5个不同点进行测量，取平均值。

1.3.2 显微硬度

硬度测试采用显微维氏硬度计，加载力设定为100g，持续时间为15s，共测试5个数据点，计算平均值。

1.3.3 相结构

采用XRD-6000型X射线衍射仪对涂层相结构进行检测分析，衍射射线源为Cu靶K”，仪器速度为1000°/min，重复性精度可达±0.001°，功率为2kW（40kV×50mA），扫描范围为20~80°，扫描速度为4°/min。

1.3.4 胶合强度

采用WS-2005涂层附着力自动划痕试验机结合热冲击试验，测试涂层与基体的结合强度。自动划痕试验机采用声发射模式，动态载荷法，通过声发射信号与载荷变化的对应曲线，得到涂层与基体的结合强度（涂层破坏瞬间的临界载荷）。实验设定加载速率为60N/min，试验载荷为100N，划痕长度为5mm，往复次数为2次。

表3 预处理及化学镀工艺步骤及条件

热冲击试验按GB/T5270-1985标准进行，将试样在220℃炉内保温1小时，然后迅速浸入常温水中10分钟，以上操作重复3次，观察涂层表面是否有气泡、脱落等现象。

结果与讨论

2.1 对涂层表面形貌的影响

图1为不同镀镍时间下SiCp/Al复合材料的表面形貌，其中图1(a)为化学镀镍0.5h后的扫描照片。可以看出，镍磷颗粒形状近似球形，以原子团簇状沉积在SiCp/Al复合材料表面。由于镀镍时间较短，SiCp/Al复合材料表面Ni沉积较少，颗粒较小，镀层不均匀，且存在一些孔洞和缝隙，镀层不完整，不够均匀致密。与镀镍时间为0.5h的微观形貌照片相比，镀镍1h后SiCp/Al复合材料表面Ni沉积较为均匀，但镀层仍然不均匀。化学镀镍4h后的镀层表面更加均匀致密，无明显缺陷，胞状结构更加均匀。 与镀镍时间较短的表面形貌相比，镀镍6h后的胞状结构明显变大。从镀10h和12h后的表面形貌照片可以看出，镀层致密、连续、均匀、趋于平整，胞状结构较大、晶界模糊。从化学镀镍磷合金的生长机理可以看出，镍磷粒子首先沉积在锌晶粒处、基体的缺陷处、锌晶粒之间及最先沉积的镍粒子处。随着化学镀的进行，镍的自催化作用使其继续沉积在已生长的粒子处，大颗粒逐渐合并，使得镀层表面更加光滑均匀，晶界逐渐模糊，最终呈现出图1所示的形貌。

2.2 对涂层相结构的影响

为进一步确定Ni-P镀层的结构，对不同镀层时间的样品进行了XRD测试，如图2所示。可以看出，化学镀0.5h后仍有Al衍射峰。化学镀2h后，在2θ=45°附近出现弥散散射型衍射峰。通过能谱分析发现，Ni-P合金镀层中磷和镍的质量分数分别为12.16%和87.84%。文献报道，对于磷组分较高的合金（>10%），只能形成非晶态的Ni-P固溶体结构。随着化学镀时间的增加，Al峰几乎消失，Ni峰明显。镀6h后，没有出现其他峰，2θ=45°处的衍射峰宽且弥散散射，即镀层为非晶态结构。 当磷含量较高时，P原子进入Ni晶格，使Ni晶格发生一定程度的畸变，形成非晶态固溶体，因而呈现出非晶态的特征。化学镀30min和1h的镀层并不是完全的非晶态组织，可能是由于镀层较薄，镀层不均匀造成的。

图1 不同化学镀时间后镀层表面形貌

2.3 对涂层厚度和沉积速率的影响

不同施镀时间下镀层截面形貌如图3所示。从图3中可以看出，化学镀镍时间为2h时，镀层厚度约为35μm；镀镍时间为4h时，镀层厚度约为60µm；镀镍时间为6h时，镀层厚度约为75µm；镀镍时间为8h时，镀层厚度约为100µm；而镀镍时间为10h时，镀层厚度可达120µm；化学镀时间为12h时，镀层厚度约为135µm。从图3还可以看出，镀层与基体结合紧密，厚度均匀，无裂纹、脱落、孔隙等缺陷。

图2 不同化学镀时间Ni-P镀层的X射线衍射图

图3 不同化学镀时间下镀层横截面厚度的SEM像

为了更加清晰的看到沉积速度与镀镍时间的关系，做了如图4所示的变化曲线。可以看出，化学镀时间为1h时沉积速度最大，约为17.5μm/h，化学镀时间为10h时沉积速度约为12.0μm/h，即随着镀液时间的增加，镀层厚度逐渐增加，沉积速度逐渐减小。如果样品在镀液中放置较长的沉积时间，则可以获得较大的厚度。

2.4 对涂层附着力的影响

评价镀层质量的一个重要指标就是镍磷镀层与基体的结合强度，镀层与基体的结合强度将直接影响镀层的性能。采用热冲击法测定镀层在不同时间的结合强度，即将不同化学镀时间后的试样放入热处理炉中加热至220℃，保温1h，再放入冷水中快速冷却10min，重复操作3次，观察镀层无起皮、脱落现象，用WS-2005镀层附着力划痕仪测试不同镀层时间所得镀层的结合强度，如图5所示。可以看出，在不同化学镀时间下，镀层与基体均具有良好的结合强度，结合强度高达70.0N，当镀层时间为8h时，结合强度高达77.2N。镀层与基体的结合强度主要由前处理工艺决定。 经过化学镀前的二次浸锌前处理工艺（除油、浸蚀、一次浸锌、除硝酸、二次浸锌、碱性预镀）提高镀层与基体的结合强度。

图4 沉积速率随化学镀时间的变化

2.5 对涂层硬度的影响

镀层显微维氏硬度与施镀时间的关系如图6所示。施镀1小时后，镀层平均硬度为388.2HV；施镀2小时后，镀层平均硬度为448.6HV，明显高于施镀1小时后的镀层厚度；施镀8小时后，镀层平均硬度为653.4HV，而当施镀时间为12小时时，镀层平均硬度为685.6HV。也就是说，随着施镀时间的延长，镀层的显微硬度先增大后趋于稳定在388.2～685.6HV之间。这与镀层厚度随施镀时间的延长而变化有关。施镀时间短时，镀层较薄，镀层不均匀，存在孔隙等缺陷，抵抗塑性变形的能力较弱。 同时，所获得的显微硬度实际上是镀层与基体的综合硬度，因此相对较低。随着施镀时间的增加，镀层逐渐增厚，Ni粒子慢慢由小颗粒聚集长大，大颗粒在SiCp/Al复合材料表面横向聚集生长，慢慢填充表面的孔洞、裂纹，表面Ni层逐渐变得均匀致密，提高了其抵抗塑性变形的能力，提高了其硬度。

图5 不同化学镀时间镀层结合强度

图6 不同化学镀时间镀层的显微维氏硬度

综上所述

（1）施镀时间对镀层表面形貌、厚度及显微硬度影响较大，随着施镀时间的延长，表面胞状结构逐渐变大，镀层逐渐增厚，但增厚速率逐渐减小，显微硬度呈现先增大后趋于稳定的趋势。

（2）在本研究的化学镀工艺条件下，获得的镀层为非晶态结构，磷含量较高的镀层，镀层与基体结合强度较高。当镀层时间为8h时，可获得厚度为100μm的镀层。此时镀层硬度为653.4HV，结合强度为77.2N。

（3）延长施镀时间可以改善镀层表面形貌质量和增加镀层厚度，减少镀层表面孔洞等缺陷，使镀层表面更加致密、均匀。