郭梁，張洪亮，白煜昊，張思諾

鈦合金電鍍銅結合力研究＊

郭梁，張洪亮，白煜昊，張思諾

（沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110136）

鈦合金具有很強的化學活性，前處理工藝在其表面電鍍時非常關鍵。通過設計4因素3水平的正交試驗研究了酸洗和活化前處理工藝對TC4合金電鍍銅結合力的影響。采用劃痕實驗測量了鍍層的結合力。實驗結果表明，電鍍銅的結合力隨酸洗液中硝酸含量的增加而降低，隨酸洗時間的增加而降低，隨活化液中二甲基酰胺含量的增加而增加，隨活化時間的推移先降低后增加。對TC4合金電鍍銅結合力的4種影響因素從大到小的排列順序為活化液成分、酸洗時間、活化時間、酸洗液成分。

TC4合金；電鍍銅；結合力；正交實驗

鈦合金具比強度高、耐熱及耐腐蝕等優(yōu)點，被稱為“太空金屬”，在航空航天、石油化工及汽車等領域具備廣闊的應用前景[1-3]。但是鈦合金硬度低、耐磨性差和易粘著的缺點限制了其自身應用。電鍍銅可以明顯改善其耐磨性差和易高溫粘著的缺點[4-6]。由于鈦的化學活性相當高、易鈍化，因此電鍍時的前處理工藝非常關鍵[7-8]。本文選用TC4合金，通過設計4因素3水平的正交實驗研究酸洗和活化工藝對鈦合金表面電鍍銅結合力的影響。

1 實驗材料和方法

本實驗所選材料為TC4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Φ2.5 mm的孔，以便電鍍時懸掛。分別用240#、400#、800#、1000#的砂紙對樣品表面進行打磨并倒角，用等離子水沖洗，再用丙酮超聲波清洗，吹干后備用。實驗工藝流程為：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→結合力測試。

本實驗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 ℃，時間10min。接下來通過調整酸洗液成分、酸洗時間、活化液成分和活化時間，設計了4因素3水平的正交試驗。其中酸洗液的3種成分如表1所示，酸洗時間分別選用1 min、2 min和3 min?；罨旱?種成分如表2所示，活化時間分別選用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 ℃，時間30 min，電解銅為陽極。劃痕實驗過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行打分，每粘掉一個矩形上的鍍銅層扣1分，滿分18分，最低0分。

表1 酸洗液成分表

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

表2 活化液成分表

序號二甲基酰胺/（mL/L）HF（40%）/（mL/L） 124060 225050 325743

2 實驗結果和討論

通過正交試驗，并對電鍍銅涂層的結合力進行測量，獲得的鍍層結合力數(shù)值及其分析如表3所示。

對比各因素下 K1，K2和K3的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，電鍍銅的結合力隨酸洗液中硝酸含量的增加而降低，隨酸洗時間的延長而降低。這是因為酸洗過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降低酸洗的效果，使鍍層結合力下降。隨酸洗時間的延長，由于反應消耗使酸洗液中氫氟酸的濃度不斷降低，導致酸洗效果減弱。本實驗得出的最佳酸洗工藝為酸洗液成分1，酸洗時間為 1 min。

同時，電鍍銅的結合力隨活化液中二甲基酰胺含量的增加而增加，隨活化時間的延長先降低后增加。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渡層以阻止新的氧化膜生成。本實驗活化生成的過渡層為TiF3，在反應生成TiF3的同時伴隨有大量的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磻獣r間較長時，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。本實驗得出的最佳活化工藝為活化液成分2，活化時間1 min。

表3中的為極差，根據(jù)的大小可以判斷各因素對實驗結果的影響大小，即極差越大，所對應的因素越重要；反之，所對應的因素越次要。由此可以確定本實驗中對電鍍銅結合力影響最大對因素是活化液成分，其次是酸洗時間，再次是活化時間，影響最小的是酸洗液成分。

表3 正交實驗分析表

試驗號因素實驗結果 A酸洗液B酸洗時間/minC活化液D活化時間/min鍍層結合力（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 結論

通過正交實驗研究，在TC4合金表面獲得結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，酸洗時間1 min；活化液成分2，活化時間1 min。

對TC4合金電鍍銅結合力的影響從大到小的因素為活化液成分＞酸洗時間＞活化時間＞酸洗液成分。

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

［2］劉瑩，曲周德，王本賢.鈦合金TC4的研究開發(fā)與應用［J］.兵器材料科學與工程，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展［J］.中國有色金屬學報，2015，25（2）：280-292.

［4］趙來武，楊立堂，幸澤寬.鈦合金電鍍銅工藝的改進［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］尚長沛，張松泓，張家瑞.TC4鈦合金基體無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)狀及應用［J］. 材料保護，2019，51（10）：109-113.

［9］顧澤昊，張洪亮，童之偉，等.前處理工藝對鈦合金化學鍍鎳層結合力的影響探討［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［J］.稀有金屬與硬質合金，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，研究方向為鈦合金的腐蝕及表面防護。

遼寧省自然科學基金項目（編號：20170540688）；沈陽航空航天大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（編號：201810143016）

〔編輯：張思楠〕