胡江華，吳曉霞，張曄

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031）

【真空鍍】

離子鍍結(jié)合電沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031）

采用離子鍍技術(shù)和電沉積技術(shù)相結(jié)合的方法，對 TA15鈦合金表面進(jìn)行功能性鍍覆試驗(yàn)。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(chǔ)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(yàn)結(jié)果表明，鍍層附著力良好。

鈦合金；離子鍍；電鍍；結(jié)合力

1 前言

鈦及鈦合金具有很高的比強(qiáng)度，耐腐蝕性能優(yōu)異，中溫性能好，已在各個(gè)領(lǐng)域(特別是宇航工業(yè))獲得廣泛的應(yīng)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(dǎo)電性差等缺點(diǎn)，其應(yīng)用范圍受到了限制。采用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砉に嚳梢源蟠蟾纳柒伒男阅?，賦予其新的物理性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

鈦合金通常采用電鍍或化學(xué)鍍的方法進(jìn)行表面處理，但由于鈦合金具有較強(qiáng)的化學(xué)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(yù)處理技術(shù)，如噴砂處理，轉(zhuǎn)化膜處理，浸鋅及閃鍍鎳處理，熱(擴(kuò)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(yán)格。

本文采用物理氣相沉積(PVD)技術(shù)和電鍍技術(shù)相結(jié)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(shù)在鈦合金表面沉積上一層具有較強(qiáng)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(yàn)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(yàn)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(guī)的金屬零件化學(xué)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(yàn)設(shè)備為 TGF-1200型多弧離子鍍膜機(jī)，共有18個(gè)弧靶，分3組，鈦靶6只、鎳靶6只、銅靶6只。1個(gè)偏壓離子源，具有離子轟擊清洗功能。

將經(jīng)過前處理的樣板放入真空室內(nèi)，抽真空至5 × 10?3Pa，鍍膜室加溫至300 °C；向真空室內(nèi)充入氬氣，調(diào)節(jié)流量至室內(nèi)壓力為2 × 102Pa，開啟偏壓離子源對樣板進(jìn)行濺射清洗約5 min。調(diào)節(jié)氬氣流量至室內(nèi)壓力為3 × 10?1Pa， 依次開啟鈦靶、鎳靶和銅靶，單個(gè)弧靶電流為80 A，時(shí)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(zhuǎn)換時(shí)，先關(guān)閉部分鈦靶，同時(shí)開啟部分鎳靶進(jìn)行共沉積；然后逐步減少鈦靶至全部關(guān)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(zhuǎn)入電鍍工序。

2. 3. 3 電鍍

經(jīng)過離子鍍的樣板表面為銅鍍層，按照銅基材進(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù))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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熱震試驗(yàn)[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(yàn)(用普通銼刀沿 45°角銼樣板邊緣，觀察鍍層與基體是否出現(xiàn)分層)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3. 1 試驗(yàn)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(yù)浸銀)。

3. 2 結(jié)果分析

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鈦合金除油酸洗后不經(jīng)過特殊處理而直接電鍍時(shí)，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(jīng)過離子鍍打底后再進(jìn)行電鍍時(shí)，鍍層附著力都較好，熱震和銼刀測試均合格。這主要是因?yàn)殡x子鍍的鍍覆條件和沉積機(jī)理與電鍍都不同。離子鍍在高真空條件下進(jìn)行，真空室壓力為 5 × 10?3Pa，氧氣濃度極低，在工作時(shí)充入的氬氣為惰性氣體，不會與鈦合金產(chǎn)生氧化反應(yīng)。鍍覆前用偏壓離子源進(jìn)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(jié)合。再者，在離子鍍過程，工件帶負(fù)壓，鍍層金屬離化后在電場力的作用下加速到達(dá)工件表面并沉積，離子具有較高的能量，與工件結(jié)合時(shí)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(shù)的差異對附著力造成的影響。后續(xù)的功能性鍍層電鍍與在常規(guī)銅合金表面電鍍無明顯區(qū)別。

4 結(jié)論

采用離子鍍技術(shù)打底可有效解決鈦合金進(jìn)行功能性電鍍時(shí)的附著力問題，省卻電鍍時(shí)諸多特殊處理工序。離子鍍與電鍍技術(shù)相結(jié)合可賦予鈦合金零件表面耐磨、可焊、高導(dǎo)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(dá), 陳鈞武, 等. 電鍍工藝手冊[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)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(yīng)用[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)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(hù), 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(lián)系方式：(E-mail) hjhcetc38@163.com。

[ 編輯：溫靖邦 ]