離子鍍結合電沉積技術實現鈦合金表面功能性鍍覆

胡江華，吳曉霞，張曄

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031）

【真空鍍】

離子鍍結合電沉積技術實現鈦合金表面功能性鍍覆

胡江華*，吳曉霞，張曄

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031）

采用離子鍍技術和電沉積技術相結合的方法，對 TA15鈦合金表面進行功能性鍍覆試驗。首先堿液除油及以氫氟酸–鹽酸–氟化鈉溶液除氧化膜，然后用離子鍍方法沉積 Ti–Ni–Cu多層膜，再在鍍酸銅的基礎上電沉積亮鎳或氰化鍍銀，從而獲得功能性鍍層。熱震及銼刀試驗結果表明，鍍層附著力良好。

鈦合金；離子鍍；電鍍；結合力

1 前言

鈦及鈦合金具有很高的比強度，耐腐蝕性能優異，中溫性能好，已在各個領域(特別是宇航工業)獲得廣泛的應用[1-3]。但是，由于鈦合金具有耐磨性能差，表面易擦傷、咬死，焊接性能差，導電性差等缺點，其應用范圍受到了限制。采用適當的表面處理工藝可以大大改善鈦的性能，賦予其新的物理性能，擴大其應用范圍。

鈦合金通常采用電鍍或化學鍍的方法進行表面處理，但由于鈦合金具有較強的化學活性，在空氣中極易生成的氧化膜影響了鍍層的附著力。因此鈦合金電鍍一般需要采取特殊的預處理技術，如噴砂處理，轉化膜處理，浸鋅及閃鍍鎳處理，熱(擴散)處理等[4]。這些措施雖可改善鍍層附著力，但工藝過程較為繁瑣，過程控制嚴格。

本文采用物理氣相沉積(PVD)技術和電鍍技術相結合的方法，在提高鈦合金表面鍍層附著力方面取得了較好效果。其基本思路是：首先利用離子鍍技術在鈦合金表面沉積上一層具有較強附著力的過渡層，然后在過渡層上電鍍所需要的功能層。

2 試驗過程

2. 1 樣板

50 mm × 50 mm × 1 mm的TA15鈦合金板。

2. 2 主要流程

前處理─離子鍍─活化─電鍍銅─電鍍鎳或銀─鍍層附著力測試。

2. 3 試驗工藝

2. 3. 1 前處理

主要是除油和除氧化膜。其中除油方法與常規的金屬零件化學除油工藝相同，采用堿溶液。除氧化膜工藝如下：

2. 3. 2 離子鍍

試驗設備為 TGF-1200型多弧離子鍍膜機，共有18個弧靶，分3組，鈦靶6只、鎳靶6只、銅靶6只。1個偏壓離子源，具有離子轟擊清洗功能。

將經過前處理的樣板放入真空室內，抽真空至5 × 10?3Pa，鍍膜室加溫至300 °C；向真空室內充入氬氣，調節流量至室內壓力為2 × 102Pa，開啟偏壓離子源對樣板進行濺射清洗約5 min。調節氬氣流量至室內壓力為3 × 10?1Pa， 依次開啟鈦靶、鎳靶和銅靶，單個弧靶電流為80 A，時間分別為10、15和30 min。在鈦層與鎳層之間以及鎳層與銅之間分別形成梯度過渡層。前者的做法是：在由鈦層向鎳層轉換時，先關閉部分鈦靶，同時開啟部分鎳靶進行共沉積；然后逐步減少鈦靶至全部關閉，鎳靶逐步增多至全部開啟。鎳銅之間的梯度過渡層可采取類似的方法獲得。鍍覆完畢后自然冷卻至60 °C，取出樣板后轉入電鍍工序。

2. 3. 3 電鍍

經過離子鍍的樣板表面為銅鍍層，按照銅基材進行電鍍處理。

2. 3. 3. 1 活化

由于離子鍍膜層較薄，且氧化情況輕微，因此采用10%(質量分數)的稀硫酸活化10 ～ 20 s即可。

2. 3. 3. 2 酸性光亮鍍銅

2. 3. 3. 3 酸性光亮鍍鎳

2. 3. 3. 4 氰化鍍銀

2. 3. 4 鍍層附著力測試

參照GB/T 5270標準進行熱震試驗[加熱至(250 ± 10) °C后投入水中驟冷，觀察鍍層是否起泡、脫落]和銼刀試驗(用普通銼刀沿 45°角銼樣板邊緣，觀察鍍層與基體是否出現分層)。

3 試驗結果與分析

3. 1 試驗分組

樣板分為3組：第1組是除油酸洗后直接電鍍鎳；第2組是除油酸洗后離子鍍+電鍍銅和鎳；第3組是除油酸洗后離子鍍+電鍍銅和銀(鍍銀前先預浸銀)。

3. 2 結果分析

試驗發現，鈦合金除油酸洗后不經過特殊處理而直接電鍍時，由于鈦在空氣中極易氧化，鍍層大面積鼓泡，附著力很差。但經過離子鍍打底后再進行電鍍時，鍍層附著力都較好，熱震和銼刀測試均合格。這主要是因為離子鍍的鍍覆條件和沉積機理與電鍍都不同。離子鍍在高真空條件下進行，真空室壓力為 5 × 10?3Pa，氧氣濃度極低，在工作時充入的氬氣為惰性氣體，不會與鈦合金產生氧化反應。鍍覆前用偏壓離子源進行濺射清洗，高能粒子轟擊可有效去除鈦合金表面極薄的氧化膜以及其他污染物，漏出新鮮干凈的鈦合金基體，有利于與鍍層的結合。再者，在離子鍍過程，工件帶負壓，鍍層金屬離化后在電場力的作用下加速到達工件表面并沉積，離子具有較高的能量，與工件結合時有一定的“嵌入”效果，獲得的附著力較高。另外，采用鈦靶打底，與基體材料一致，鈦鎳之間及鎳銅之間梯度過渡，不同鍍層之間無明顯的界面，可有效避免膨脹系數的差異對附著力造成的影響。后續的功能性鍍層電鍍與在常規銅合金表面電鍍無明顯區別。

4 結論

采用離子鍍技術打底可有效解決鈦合金進行功能性電鍍時的附著力問題，省卻電鍍時諸多特殊處理工序。離子鍍與電鍍技術相結合可賦予鈦合金零件表面耐磨、可焊、高導電等諸多性能，是鈦合金零件鍍覆工藝中的一種有效選擇。

[1] 曾華梁, 吳仲達, 陳鈞武, 等. 電鍍工藝手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 1997.

[2] ZHANG J S, YANG Z L, AN M Z, et al. A new process of electroplating on titanium and titanium alloy for aerospace [J]. Transactions of the Institute of Metal Finishing, 1996, 74 (1): 25-27.

[3] 王國宏. 鈦合金在航天火箭中的應用[J]. 鈦工業進展, 1999 (5): 26-27.

[4] 孫志華, 劉佑厚, 張曉云, 等. 鈦及鈦合金的電鍍工藝述評[J]. 腐蝕與防護, 2005, 26 (11): 493-496.

Functional plating on titanium alloy surface by combining ion plating with electroplating //

HU Jiang-hua*, WU Xiao-xia, ZHANG Ye

The functional plating on the surface of TA15 titanium alloy was tested by combination of ion plating and electroplating techniques. A functional coating was obtained by the following steps: (1) alkaline degreasing and deoxidizing with HF–HCl–NaF solution; (2) deposition of Ti–Ni–Cu multilayer by ion plating; (3) acid copper electroplating; and (4) bright nickel or cyanide silver electroplating. The results of thermal shock and file tests showed that the adhesion of the coating to titanium alloy substrate is good.

titanium alloy; ion plating; electroplating; adhesion

No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230031, China

TQ153.1

A

1004 – 227X (2011) 12 – 0020 – 02

2011–05–31

2011–07–24

胡江華（1965–），男，安徽人，碩士，高級工程師，主要從事金屬及非金屬材料表面處理工作。

作者聯系方式：(E-mail) hjhcetc38@163.com。

[ 編輯：溫靖邦 ]