鈦合金化學(xué)鍍預(yù)處理工藝研究

吳 迪，陳燕波

(長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長春 130032)

鈦及鈦合金屬于活潑金屬(鈦的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-1.63 V)，在空氣中易與氧氣發(fā)生反應(yīng)，在其表面迅速形成一層致密的氧化膜，此氧化膜具有一定的耐腐蝕效果[1-4]，但由于氧化膜的存在會使化學(xué)鍍工藝難以進(jìn)行，如果按照傳統(tǒng)的工藝流程進(jìn)行施鍍，將導(dǎo)致鍍層與基體之間的結(jié)合力變差[5]，從而失去施鍍意義。

為了在鈦合金的基體上獲得具有良好結(jié)合力的化學(xué)鍍層，本文在傳統(tǒng)的化學(xué)鍍工藝實(shí)施前，對鈦合金進(jìn)行預(yù)處理，通過機(jī)械打磨、脫脂、酸洗、活化等過程去除鈦合金基體的氧化膜并生成一層具有活性的轉(zhuǎn)化膜[6]，為后續(xù)化學(xué)鍍工藝提供了有利條件。

本試驗(yàn)采用氫化膜法活化工藝后在TC4鈦合金表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳。觀察了施鍍前后鈦合金表面的宏觀及微觀形貌變化情況，分析了未經(jīng)預(yù)處理過程的鍍層和經(jīng)預(yù)處理獲得鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，測定了施鍍前后鈦合金表面的硬度值，比較了未經(jīng)預(yù)處理過程的鍍層和經(jīng)預(yù)處理獲得鍍層的耐蝕效果。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與工藝流程

試驗(yàn)材料為鈦合金TC4(Ti6Al4V)，其成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為6.70%Al，4.21%V，0.01%Fe，0.14%O，0.02%N，0.03%C，Ti余量。試樣規(guī)格為40 mm×20 mm×1 mm。

機(jī)械打磨的目的是去除工件表面刮痕、銹跡、氧化皮和其它表面雜質(zhì)和缺陷，進(jìn)而獲取光潔平滑的表面，試驗(yàn)過程中依次用水磨砂紙120目—240目—360目—400目—500目—800目—1000目—1500目—2000目進(jìn)行打磨。打磨時(shí)，先沿同一個(gè)方向進(jìn)行打磨，再旋轉(zhuǎn)90度進(jìn)行打磨直至之前的磨痕消失，再回原來的方向打磨，直至在金相顯微鏡下觀測鈦合金表面沒有明顯劃痕。脫脂的目的是去除試樣表面的油污及油脂，試驗(yàn)采用浸漬脫脂的方法，將堿性溶液(NaOH 40 g·L-1，Na2CO330 g·L-1，Na3PO430 g·L-1)加熱至75～85℃浸泡15～20 min，經(jīng)多次水洗后用超聲波再次清洗。化學(xué)浸蝕的目的是去除脫脂后鈦合金基體上迅速產(chǎn)生的薄氧化膜。室溫條件下，將試樣置于酸浸蝕液(HF 25V%，HNO375V%)中，至冒紅煙為止。活化的目的是將鈦合金表面的氧化膜去掉后形成活性膜，從而提高化學(xué)鍍層與鈦合金基體的結(jié)合效果。室溫條件下，將試樣置于活化液(HF 12.5V%，CH3COOH 87.5V%;室溫)中，5～10 min后水洗。化學(xué)鍍工藝采用傳統(tǒng)的化學(xué)鍍鎳工藝，在鈦合金表面制備Ni-P鍍層，工藝參數(shù)為NiSO4·6H2O 25 g·L-1，NaH2PO225 g·L-1，C3H6O324 mL·L-1，CH3COONa 10 g·L-1，C6H5O7(NH4)310 g·L-1，陽離子表面活性劑 0.1～0.6 g·L-1，溫度控制在80～92℃，采用間歇式攪拌方式施鍍1.5 h[7-8]。

1.2 測試方法

采用金相顯微鏡及掃描電鏡觀察鈦合金基體酸洗后、活化后及施鍍后的表面微觀形貌；采用洛氏硬度計(jì)測定了施鍍前后鈦合金的硬度值；采用網(wǎng)格試驗(yàn)測試了未經(jīng)預(yù)處理過程的鍍層和經(jīng)預(yù)處理獲得鍍層的結(jié)合強(qiáng)度；采用失重法測試鍍層的腐蝕情況，分析了未經(jīng)預(yù)處理過程的鍍層和經(jīng)預(yù)處理獲得鍍層的耐蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

經(jīng)機(jī)械打磨后的TC4鈦合金表面呈銀白色金屬光澤，經(jīng)預(yù)處理及化學(xué)鍍后的鈦合金表面形成了Ni-P鍍層，鍍層表面平整呈銀灰色金屬光澤。

圖1為預(yù)處理過程中TC4鈦合金表面的微觀形貌。圖1(a)為TC4經(jīng)機(jī)械打磨后的基體形貌，無明顯氧化膜，存在一定數(shù)量的劃痕；圖1(b)為TC4經(jīng)化學(xué)浸蝕后的表面形貌，明顯看出浸蝕效果；圖1(c)為TC4經(jīng)活化處理后的表面形貌，表面形成了一層致密的氫化膜，為后續(xù)的化學(xué)鍍工藝提供有利條件。

圖1 TC4鈦合金的表面形貌(×500)

圖2為TC4鈦合金表面Ni-P鍍層的微觀形貌，可見鍍層呈胞狀突起表面形貌。胞狀物是由試片表面活性化中心在沉積反應(yīng)中逐漸形成的。這些Ni-P合金沉積的胞狀物逐漸長大彼此連在一起形成致密、均勻、連續(xù)的鍍層。

2.2 硬度測定

采用上海尚材試驗(yàn)機(jī)有限公司HR-150A型洛氏硬度計(jì)對試樣進(jìn)行硬度測試，表1分別為TC4基體、未經(jīng)預(yù)處理鍍層及經(jīng)預(yù)處理鍍層的硬度值。

表1 TC4基體、未經(jīng)預(yù)處理鍍層及經(jīng)預(yù)處理鍍層的硬度值(HRC)

由表1可知，經(jīng)機(jī)械打磨后的鈦合金基體的硬度值為36.2HRC，經(jīng)預(yù)處理獲得的鍍層硬度值有明顯提高，達(dá)到53HRC，而未經(jīng)預(yù)處理得到的鍍層在進(jìn)行硬度值測定的過程中，出現(xiàn)了起皮的現(xiàn)象，導(dǎo)致測量值不準(zhǔn)確。而起皮的現(xiàn)象則是由于鍍層與基體結(jié)合不良導(dǎo)致的。

2.3 鍍層結(jié)合情況分析

采用銼刀在未經(jīng)預(yù)處理鍍層和經(jīng)預(yù)處理鍍層的表面劃3條平行線，用力使刀尖劃至基體，根據(jù)平行線處是否有鍍層脫落或從基體裂開來判斷結(jié)合力的好壞。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，未經(jīng)預(yù)處理的鍍層出現(xiàn)了明顯的脫落、開裂等現(xiàn)象，說明鍍層和鈦合金基體之間的結(jié)合強(qiáng)度低，而經(jīng)預(yù)處理獲得的鍍層完整，無脫落、開裂等現(xiàn)象，說明鍍層與鈦合金基體表面結(jié)合力良好。

表2 未經(jīng)預(yù)處理鍍層及經(jīng)預(yù)處理鍍層的結(jié)合強(qiáng)度比較

2.4 鍍層耐蝕性能分析

腐蝕性試驗(yàn)采用10%的HCl溶液浸泡試樣，試驗(yàn)時(shí)間為2 h，觀察其腐蝕現(xiàn)象，并記錄腐蝕前后的質(zhì)量變化情況。結(jié)果如表3所示，經(jīng)預(yù)處理獲得的鍍層腐蝕前后質(zhì)量變化較小，僅為0.069 g，而未經(jīng)預(yù)處理獲得的鍍層腐蝕前后質(zhì)量變化為0.185 g，由此可知TC4鈦合金經(jīng)預(yù)處理后得到的化學(xué)鍍層具有更好的耐蝕性能。

表3 不同預(yù)處理后鍍層前后工件質(zhì)量變化

3 結(jié)論

(1)TC4鈦合金經(jīng)機(jī)械打磨、脫脂、化學(xué)浸蝕、活化等預(yù)處理工藝后表面形成了具有活性的氫化膜，后經(jīng)傳統(tǒng)的化學(xué)鍍鎳工藝得到了結(jié)合力優(yōu)良的化學(xué)鍍層，鍍層表面平整呈銀灰色金屬光澤。

(2)與未經(jīng)預(yù)處理得到的鍍層相比，經(jīng)過以上預(yù)處理得到的鍍層與鈦合金基體具有良好的結(jié)合力并具有良好的硬度和耐蝕性能。