第十四届全国表面工程大会

随着科学技术的飞速发展,对金属材料各种物化性能的要求越来越高，为了适应复杂多变的使役环境，通常需要设计和制备具有多层梯度结构的合金材料。Fe-Ni合金由于其优异的机械性能和良好的耐蚀性能被广泛应用于电子工业、医疗器械等领域。电沉积技术具有工艺简单、成本低以及能够控制元素含量连续变化等优势，是制备Fe-Ni合金的重要方法之一。采用电沉积方法可以制备纳米级晶粒尺寸的镀层，由于纳米晶结构具有更丰富的晶界，表面质量好、亮度高，不仅能够增强抵抗塑性变形的能力，还可以提高材料的机械性能和耐腐蚀性能。
在采用电沉积制备多层梯度结构时，必须根据需要连续调节沉积区域的电流密度。但电化学还原过程中难以避免的析氢使得表面易产生气孔、麻点等缺陷；多元合金沉积时由于还原电位不同，镀层内部易形成较大的拉应力。当低电流密度向高电流密度转变时，成核速率增加，析氢加剧，导致沉积层中氢渗透更多，晶体缺陷更多，致密性较差；当高电流密度向低电流密度转变时，成核速率与生长速率的比值减小，使得附着在沉积层上的气泡占据了晶粒生长空间，从而导致生长不均匀。采用多能场复合沉积技术，如增加温度场、磁场和超声场等，是解决该问题的有效方法。将激光加入到电沉积系统中时，一方面，激光的热效应可以提高加工区域镀液温度，降低活化能，提高极限电流密度和沉积速率，从而细化晶粒。另一方面，激光击穿溶液产生等离子体冲击波以及空泡射流冲击力，能形成微区搅拌抑制浓差极化。激光的微区搅拌和力冲击可以及时排除气泡，降低镀层拉应力。由于激光辐照定域性强、能量密度高，因此能够实现组织致密、晶粒细化、改善表面质量的效果，从而提高镀层综合性能。
本研究的目的是在激光提高电沉积镀层材料性能的基础之上，进一步通过调节激光参数周期性改变电沉积过程中的电流波形，从而制备出具有交替纳米晶结构的Fe-Ni多层梯度结构。在不改变电流参数的前提下，通过调节激光功率、扫描范围，扫描速率以及扫描线间距等来控制热量、蓄热时间、扩散时间和扩散面积之间的相对关系，从而达到控制电流波形的目的。这种复合加工技术可以实现具有晶粒尺寸连续变化、表面质量更好以及层间生长界面相互融合的高质量的多层梯度结构。根据Brenner的分类, Fe-Ni属于异常共沉积。在还原过程中，Ni受活化控制，Fe受扩散控制。激光不仅可以降低反应所需的活化能，还能够形成强烈的微区搅拌，影响扩散速率，从而调控元素含量。当通过调节电化学电源参数改变电流密度制备多层梯度结构时，影响的是整个电沉积的阴极还原区域。而利用激光具有的精确定域性，能够选择性实现微小区域交替纳米晶结构的制备。采用该工艺思路，对于开发性能优异的Fe-Ni基合金具有一定的指导意义。

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