【摘 要】
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X射线聚焦镜厚度薄,面型精度高,要求电铸的镜片内应力尽可能小,以及为了防止受外力冲击而变形,镜片材料要具有足够高的强度。力学性能优异的镍基电铸层成为首选的镜片材料,内应力低的氨基磺酸盐镀液被作为电铸体系。为了提升电铸镜片的强度,本文研究低应力Ni和Ni/Al2O3电铸工艺,探究工艺条件对镀层力学性能的影响规律,对实际电铸过程进行模拟仿真,为调控电铸层力学性能和聚焦镜生产提供参考。采用氨基磺酸盐体系
【基金项目】
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增强型X射线时变与偏振空间天文台项目（eXTP）；
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X射线聚焦镜厚度薄,面型精度高,要求电铸的镜片内应力尽可能小,以及为了防止受外力冲击而变形,镜片材料要具有足够高的强度。力学性能优异的镍基电铸层成为首选的镜片材料,内应力低的氨基磺酸盐镀液被作为电铸体系。为了提升电铸镜片的强度,本文研究低应力Ni和Ni/Al2O3电铸工艺,探究工艺条件对镀层力学性能的影响规律,对实际电铸过程进行模拟仿真,为调控电铸层力学性能和聚焦镜生产提供参考。采用氨基磺酸盐体系镀液研究了电流密度、p H值、温度、Al2O3浓度对Ni和Ni/Al2O3镀层内应力的影响规律,镀层内应力的测定方法采用弯曲阴极试片法。结果显示,降低电流密度或升高温度可使镀层拉应力趋势减弱,压应力趋势增强。对不同工艺条件下的Ni和Ni/Al2O3镀层进行了力学性能测试,结果表明,p H值为4时,提高Al2O3载荷,镀层的弹性模量、显微硬度和屈服极限都随之增加。镀层的截面弹性模量大于镀层表面的弹性模量。对镀层晶体学结构进行表征时,发现温度升高或电流密度下降时,（200）晶面的织构系数占比增加,镀层拉应力减小。镀层的形貌表征结果显示,Al2O3粒子均匀分布在镀层中,镀液中Al2O3载荷越高,镀层中Al2O3复合量越大。优化后的Ni/Al2O3复合镀工艺条件为:氨基磺酸镍400 g/L、氯化镍5 g/L、硼酸35g/L、十二烷基硫酸钠0.5 g/L、Al2O3载荷15 g/L、p H值为4.4、电流密度1.85 A/dm2。采用纳米压痕测定优化工艺下镀层表面的弹性模量为94.22 GPa,压痕硬度为3.12 GPa,屈服强度798.46 Mpa。与低应力条件下的Ni镀层相比,弹性模量提升了30.95%,屈服强度提升了37.84%,压痕硬度提升了19.54%。使用Comsol对聚焦镜实际电铸生产时阴极表面局部电流密度分布以及沉积厚度进行了仿真,结果显示,在曲率半径较小的阴极表面尖锐位置,受尖端效应的影响,局部电流密度变大,在曲率半径较大的阴极表面凹陷位置,局部电流密度变小。底端辅助阴极高度120 mm、顶端辅助阴极高度100 mm、阳极上端半径555 mm、阳极下端半径550 mm、绝缘盘半径360 mm时,沉积厚度分布最均匀,平均厚度220.31μm,最大厚度误差1.82%,标准差为1.047。
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