鈦合金電鍍銅結(jié)合力研究＊

郭梁，張洪亮，白煜昊，張思諾

鈦合金電鍍銅結(jié)合力研究＊

郭梁，張洪亮，白煜昊，張思諾

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

鈦合金具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，前處理工藝在其表面電鍍時(shí)非常關(guān)鍵。通過(guò)設(shè)計(jì)4因素3水平的正交試驗(yàn)研究了酸洗和活化前處理工藝對(duì)TC4合金電鍍銅結(jié)合力的影響。采用劃痕實(shí)驗(yàn)測(cè)量了鍍層的結(jié)合力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電鍍銅的結(jié)合力隨酸洗液中硝酸含量的增加而降低，隨酸洗時(shí)間的增加而降低，隨活化液中二甲基酰胺含量的增加而增加，隨活化時(shí)間的推移先降低后增加。對(duì)TC4合金電鍍銅結(jié)合力的4種影響因素從大到小的排列順序?yàn)榛罨撼煞?、酸洗時(shí)間、活化時(shí)間、酸洗液成分。

TC4合金；電鍍銅；結(jié)合力；正交實(shí)驗(yàn)

鈦合金具比強(qiáng)度高、耐熱及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被稱(chēng)為“太空金屬”，在航空航天、石油化工及汽車(chē)等領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。但是鈦合金硬度低、耐磨性差和易粘著的缺點(diǎn)限制了其自身應(yīng)用。電鍍銅可以明顯改善其耐磨性差和易高溫粘著的缺點(diǎn)[4-6]。由于鈦的化學(xué)活性相當(dāng)高、易鈍化，因此電鍍時(shí)的前處理工藝非常關(guān)鍵[7-8]。本文選用TC4合金，通過(guò)設(shè)計(jì)4因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)研究酸洗和活化工藝對(duì)鈦合金表面電鍍銅結(jié)合力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本實(shí)驗(yàn)所選材料為T(mén)C4合金，首先將基材線切割加工成20 mm×20 mm×2 mm的樣品，然后在樣品邊緣居中鉆1個(gè)Φ2.5 mm的孔，以便電鍍時(shí)懸掛。分別用240#、400#、800#、1000#的砂紙對(duì)樣品表面進(jìn)行打磨并倒角，用等離子水沖洗，再用丙酮超聲波清洗，吹干后備用。實(shí)驗(yàn)工藝流程為：樣品→冷水洗→堿洗除油→冷水洗→酸洗→冷水洗→活化→冷水洗→電鍍銅→冷水洗→吹干→結(jié)合力測(cè)試。

本實(shí)驗(yàn)所采用的堿洗工藝為30 g/L的NaOH，25 g/L的Na2CO3，30g/L Na3PO4，溫度80 ℃，時(shí)間10min。接下來(lái)通過(guò)調(diào)整酸洗液成分、酸洗時(shí)間、活化液成分和活化時(shí)間，設(shè)計(jì)了4因素3水平的正交試驗(yàn)。其中酸洗液的3種成分如表1所示，酸洗時(shí)間分別選用1 min、2 min和3 min。活化液的3種成分如表2所示，活化時(shí)間分別選用1 min、3 min和5 min。酸洗和活化的溫度均為25 ℃。電鍍銅工藝采用200 g/L的CuSO4·5H2O，80 mL/L的H2SO4（98%），電流密度2 A/dm2，溫度25 ℃，時(shí)間30 min，電解銅為陽(yáng)極。劃痕實(shí)驗(yàn)過(guò)程為首先居中在鍍銅樣品上劃出4條橫線、7條豎線，獲得16個(gè)尺寸為3 mm×4 mm的矩形，需劃透鍍銅層。然后用膠帶粘鍍層并進(jìn)行打分，每粘掉一個(gè)矩形上的鍍銅層扣1分，滿(mǎn)分18分，最低0分。

表1 酸洗液成分表

序號(hào)HNO3（65%）/（g/L）HF（40%）/（g/L） 12005 23005 34005

表2 活化液成分表

序號(hào)二甲基酰胺/（mL/L）HF（40%）/（mL/L） 124060 225050 325743

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

通過(guò)正交試驗(yàn)，并對(duì)電鍍銅涂層的結(jié)合力進(jìn)行測(cè)量，獲得的鍍層結(jié)合力數(shù)值及其分析如表3所示。

對(duì)比各因素下 K1，K2和K3的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，電鍍銅的結(jié)合力隨酸洗液中硝酸含量的增加而降低，隨酸洗時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。這是因?yàn)樗嵯催^(guò)程的目的是去除鈦合金表面的氧化物膜，使鈦合金表面露出新鮮基體[9]，由硝酸和氫氟酸組成的酸洗液中起主要作用的是氫氟酸，加入硝酸是為了抑制基體金屬的吸氫量[10]，因此增加硝酸的含量會(huì)降低酸洗的效果，使鍍層結(jié)合力下降。隨酸洗時(shí)間的延長(zhǎng)，由于反應(yīng)消耗使酸洗液中氫氟酸的濃度不斷降低，導(dǎo)致酸洗效果減弱。本實(shí)驗(yàn)得出的最佳酸洗工藝為酸洗液成分1，酸洗時(shí)間為 1 min。

同時(shí)，電鍍銅的結(jié)合力隨活化液中二甲基酰胺含量的增加而增加，隨活化時(shí)間的延長(zhǎng)先降低后增加。活化的目的是去除TC4合金表面的氧化膜，在合金表面生成一層過(guò)渡層以阻止新的氧化膜生成。本實(shí)驗(yàn)活化生成的過(guò)渡層為T(mén)iF3，在反應(yīng)生成TiF3的同時(shí)伴隨有大量的H2析出。二甲基酰胺作為緩蝕劑可以降低反應(yīng)的劇烈程度，減少析氫的量，從而有利于TiF3層在鈦合金表面形成。在活化初期，由于二甲基酰胺的量充足，析氫現(xiàn)象得到控制，活化效果較好。隨著活化的進(jìn)行，二甲基酰胺的量不斷減少，析氫加速，活化的效果減弱?；罨磻?yīng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，由于硝酸的量也不斷減少，析氫量再次降低，活化效果得到提升。本實(shí)驗(yàn)得出的最佳活化工藝為活化液成分2，活化時(shí)間1 min。

表3中的為極差，根據(jù)的大小可以判斷各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響大小，即極差越大，所對(duì)應(yīng)的因素越重要；反之，所對(duì)應(yīng)的因素越次要。由此可以確定本實(shí)驗(yàn)中對(duì)電鍍銅結(jié)合力影響最大對(duì)因素是活化液成分，其次是酸洗時(shí)間，再次是活化時(shí)間，影響最小的是酸洗液成分。

表3 正交實(shí)驗(yàn)分析表

試驗(yàn)號(hào)因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果 A酸洗液B酸洗時(shí)間/minC活化液D活化時(shí)間/min鍍層結(jié)合力（Y） 1成分11成分1114.5 2成分12成分2312 3成分13成分3516.5 4成分21成分2516.5 5成分22成分3115 6成分23成分133.5 7成分31成分3318 8成分32成分1510.5 9成分33成分2115.5 鍍層結(jié)合力（Y）Ⅰ434928.545 Ⅱ3537.54433.5 Ⅲ3435.549.543.5 K114.316.39.515 K211.712.514.711.2 K311.311.816.514.5 R34.573.8

3 結(jié)論

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研究，在TC4合金表面獲得結(jié)合力最佳的電鍍銅涂層的酸洗和活化工藝為：酸洗液成分1，酸洗時(shí)間1 min；活化液成分2，活化時(shí)間1 min。

對(duì)TC4合金電鍍銅結(jié)合力的影響從大到小的因素為活化液成分＞酸洗時(shí)間＞活化時(shí)間＞酸洗液成分。

［1］周廉，鄧炬.輕金屬材料的發(fā)展［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002（9）：12-16.

［2］劉瑩，曲周德，王本賢.鈦合金TC4的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2005，28（5）：47-50.

［3］金和喜，魏克湘，李建明，等.航空用鈦合金研究進(jìn)展［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2015，25（2）：280-292.

［4］趙來(lái)武，楊立堂，幸澤寬.鈦合金電鍍銅工藝的改進(jìn)［J］.電鍍與精飾，1992，19（1）：41-42.

［5］姚小飛，謝發(fā)勤，王毅飛，等.TC4鈦合金表面鍍Cu摩擦磨損性能的研究［J］.稀有金屬材料工程，2012，41（12）： 2135-2138.

［6］尚長(zhǎng)沛，張松泓，張家瑞.TC4鈦合金基體無(wú)氰鍍銅工藝及鍍銅層的性能［J］.電鍍與環(huán)保，2019，39（4）：7-9.

［7］鄒松華，王帥東，李曼，等.TC4 鈦合金電鍍鎳工藝及鍍層性能［J］. 電鍍與涂飾，2016，35（12）： 626-628.

［8］馮秋元，郭佳林，李蒙，等.鈦合金電鍍鉻研究現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］. 材料保護(hù)，2019，51（10）：109-113.

［9］顧澤昊，張洪亮，童之偉，等.前處理工藝對(duì)鈦合金化學(xué)鍍鎳層結(jié)合力的影響探討［J］.全面腐蝕控制，2019，33（7）： 5-7.

［10］鄭鋒，程挺宇，張巧云.鈦及鈦合金的酸洗技術(shù)［J］.稀有金屬與硬質(zhì)合金，2009，37（3）：26-28.

TQ153.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.023

2095－6835（2019）23－0058－02

郭梁（1997—），男，河南偃師人，研究方向?yàn)殁伜辖鸬母g及表面防護(hù)。

遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：20170540688）；沈陽(yáng)航空航天大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201810143016）

〔編輯：張思楠〕