摩擦辅助电化学沉积技术的研究进展

罗志辉， 韦庆敏， 刘荣军， 梁春杰， 陈 渊

（玉林师范学院 化学与材料学院，广西 玉林537000）

0 前言

摩擦辅助电化学沉积是以研磨块或硬质微粒（如陶瓷球、玻璃球等）为摩擦介质，在旋转机构或平动机构的带动下，紧贴阴极面做复杂运动（如自转、滑动、震荡等），借助机械研磨和摩擦挤压作用整平沉积层的一种技术。因其具有独特的工艺优势，在制造火箭发动机喷管、破甲弹药型罩、大型RF谐振腔衬套、微波波导管等具有特殊要求或形状复杂的精密零部件方面展现出广阔的应用空间，也因此吸引着业界与学术界开展密集、持续与深度的研究和探索。现将所取得的研究成果作一概述。

1 摩擦辅助电化学沉积的作用机理

摩擦辅助电化学沉积的作用机理可归结为三个方面［1］：

（1）驱氢、抑氢：研磨块或游离微粒与阴极做相对运动，不断摩擦、挤压沉积面，能有效地阻碍氢气泡的吸附，驱除乃至碾爆附着的气泡；另外，在驱除气泡、摩擦沉积面的同时也可提高氢离子的析出电位，减少氢气的产生量。

（2）整平、抛光：研磨块或游离微粒，一方面优先接触沉积表层的凸起部位，可屏蔽该处的电力线，在一定程度上增加凹陷部位的局部电流密度，促使金属均匀地沉积；另一方面微量磨削微小结瘤和凸起，抑制恶性长大，起到整平的功效。

（3）细化晶粒：机械磨削扰动更新扩散层内的电解液，加速物质交换，增加阴极表面离子放电活化点的数目，加快成核速率，抑制晶核长大。

2 摩擦辅助电化学沉积行为特性

研究表明，硬质微粒辅助摩擦-阴极旋转条件下的电化学沉积行为特性（如阴极极限电流密度、阴极电流效率、沉积速率等）较常规电沉积的有明显改变。文献［2］指出：游离微粒紧贴旋转阴极表面做复杂运动，直接作用于阴极／电解液交界面，能极大地改善扩散层内的传质状况，显著减薄扩散层，增大阴极极限电流密度，提高沉积速率。在基于焦磷酸盐电铸铜时发现：添加游离微粒后阴极电流效率从99.2%降至94.7%，应该是微粒的除瘤与机械抛光作用所致［3］。然而，电铸Ni-Mn合金层时却发现，阴极电流效率明显提高（由80%升至96%）［4］。归结原因为：一方面，游离微粒扰动更新了扩散层内的电解液，致使所消耗的反应金属离子得到及时补充，避免了析氢反应；另一方面，不导电的微粒覆盖于阴极表面，减小了阴极瞬间待沉积面积，提高了实际阴极电流密度和氢离子的析出电位，降低了析氢电量的消耗。

同样，改变硬质微粒与沉积面间的相对运动方式或更换摩擦介质，也可影响电沉积行为特性。文献［5］报道了微粒与阴极发生相对滑动时，沉积速率明显提高，电铸周期大幅缩短。文献［6］的研究结果显示：玻璃球置于阴极表面且施加水平震荡的情况下，随着震荡频率的加快，沉积速率呈先降后增接着再降的趋势，最高达21μm／h。魏孝信等［7］采用摩擦喷射电沉积工艺制备了Ni-Al2O3纳米复合镀层，并研究了工艺参数对沉积速率的影响。结果表明：沉积速率随电压的升高（8～18V）呈近似线性加快；喷射速率（0.5～3.0m／s）与镀笔相对运动速率（10～35m／min）对沉积速率的影响不大。此外，梁延德［8］也考察了机械研磨复合电镀的沉积速率。

3 摩擦辅助电沉积层的形貌、织构与性能

宁朝辉等［9］采用垂直震荡机械研磨电化学沉积工艺制备出平整、致密的镀镍层，并考察了玻璃球直径和震荡频率对镀层晶粒生长过程的影响。结果表明：玻璃球撞击研磨细化了晶粒，改善了结构致密性；形核速率随震荡频率的提高（3～5Hz）而加快，但随玻璃球直径的增大（1～7mm）呈先增后降的变化趋势。鉴于该技术的良好工艺效果，课题组随后又开展了电镀铜实验［10］，获得了无针孔缺陷、表面平整、组织均匀的镀铜层。SEM观测发现：晶粒呈金字塔状，尺寸小于1μm。吕小莉等［11］在酸性镀铜过程中施加水平震荡机械研磨，探讨了玻璃球数量和震荡频率对镀层显微织构的影响机理。分析结果显示：提高震荡频率、增加玻璃球数量均有利于细化晶粒，并且震荡条件对镀层的择优取向度有一定的影响。采用相同的工艺技术制备镀铜层，冯长杰等［6］基于SEM，XRD和Autolab研究了震荡频率对镀层的孔隙率、显微织构、晶粒尺寸及耐蚀性的影响。结果表明：随着震荡频率的加快（0～4Hz），镀层的孔隙率明显降低，衍射谱特征有所不同，晶粒尺寸变化不大，耐蚀性逐渐降低。李学磊等［12］采用游离微粒辅助摩擦-阴极旋转工艺电铸出无针孔缺陷、光亮、平整的铸镍层。观察显微结构发现：晶粒细小、组织致密。测试机械性能得出：抗拉强度和显微硬度均随微粒直径的增大（0.4～3.5mm）而降低。在上述实验条件的基础上，以脉冲电流替代直流电流，所得铸镍层的形貌质量更优，性能（硬度、耐蚀性）也有所提高，但受脉冲占空比影响明显［13］。文献［14-15］报道了利用优选的工艺参数，基于游离微粒辅助摩擦-阴极旋转电铸工艺能制得纳米晶光亮镍层。测试结果表明：铸层的粗糙度小于0.02μm，晶粒尺寸约为30～80nm，各晶面的衍射强度均明显降低，显微硬度显著增大，磁性能有所改变。此外，Li等［16］、余胜东等［17］还探讨了工艺条件（如阴极电流密度、阴极平动速率、添加剂等）对阴极平动式摩擦辅助电铸镍层的形貌、织构及显微硬度等的影响。

归纳而言，上述研究的对象均为单金属沉积层。实际上，有关摩擦辅助电沉积工艺制备复合沉积层的研究，也有少量报道。Ping等［18］指出：相比于常规的Ni-P复合镀层，震荡机械研磨电沉积Ni-P复合镀层表面更光整、厚度更均匀、硬度提高、自腐蚀电位正移、极化阻力增大。文献［4，19］的研究结果显示：采用游离微粒辅助摩擦工艺电铸的Ni-Mn合金层外观光亮、平整，表面粗糙度仅为0.05μm，晶粒尺寸约为150nm；合金层中锰的质量分数随阴极电流密度的增加（3～8A／dm2）及阴极转速的加快（60～240r／min）而升高，但随电解液温度的升高（35～60℃）而降低；随着阴极转速的加快，合金层的显微硬度、抗拉强度和屈服强度均明显提高，最高分别达4 700MPa，1 330MPa和1 025MPa。谢凤宽等［20-21］系统研究了摩擦电喷镀Ni-Co-MoS2复合镀层的显微结构与耐磨性，发现镀层组织致密，但位错密度较高。磨损实验表明，镀层的摩擦因数受MoS2的质量分数及摩擦条件（载荷、滑动速率）影响明显。朱军等［22］测试分析了基于硬质微粒辅助摩擦-喷射给液电铸工艺制备的铜零件的形貌与性能。实验得出：零件表面平整、轮廓精度高，平均硬度约为3 533MPa，抗压性能良好。另外，梁志杰等［23］研究了辅助摩擦-喷射电沉积Ni-Al2O3纳米晶复合镀层的表面形貌，同时考察了工艺条件对电沉积过程的影响。

4 摩擦辅助电化学沉积技术的工程应用

文献［5］报道了采用阴极平动式摩擦辅助电铸技术直接加工成形复杂型面叶片电解加工电极。观察叶片形貌发现：无任何沉积缺陷，表面光亮。沿几何中心线等距选取7个点测试表面粗糙度及显微硬度发现：各点的显微硬度差别不大，约为3 800～4 000MPa；粗糙度均低于0.35μm，远低于常规叶片的0.7μm。基于相同的工艺技术，余胜东等［17］开展了回转体类零件加工的实验研究。为解决飞机起落架缓冲器活塞杆镀铬层渗漏的问题，龚会民等［24］采用硬质微粒柔性摩擦挤压电镀工艺进行了镀铬实验，并成功地制备出光亮、无裂纹的镀铬层。朱增伟等［25-26］利用自行开发的游离微粒摩擦辅助-阴极旋转精密电铸技术，以短周期一次性电铸制造出光亮平滑、壁厚（6mm）均匀且带冷却通道的火箭发动机推力室身部样件。后期，又将该技术成功地应用于铜药型罩及破甲弹镍药型罩的制造［27］。静破甲实验表明：相比于其他工艺制成的同型号药型罩，二者的破甲性能均明显提高。

5 结语

摩擦辅助电化学沉积技术以其显著的驱氢、抑氢作用及独特的整平、抛光功效，在加工制造简单形状异型薄壁零件、回转体类零件方面已展现出明显的优势。随着工艺能力的进一步优化，该技术有望实现特殊复杂表面、非回转体结构及超晶光整器件的成形。

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