吳海平 ，況僑，李軍，滕官宏偉

（1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002；2.陸裝駐株洲地區(qū)航空軍事代表室，湖南 株洲 412002）

鈦合金與傳統(tǒng)的鋁合金或鋼鐵材料相比，屬于新型材料，因質(zhì)輕、比強度高等優(yōu)點而得到廣泛應用，在航空航天領域被稱為“太空金屬”。Ti6Al4V(TC4)是最早開發(fā)的鈦合金，到現(xiàn)在仍是航空航天應用的主體材料[1]。雖然鈦合金性能優(yōu)異，但是還存在表面易氧化、耐磨性較差等一些問題，在特殊條件下使用受到限制。

鈦合金在飛機發(fā)動機及其殼體上的應用逐漸增多，但硬度低、耐磨性差、在還原性介質(zhì)中耐蝕性差等缺點限制了其作為航空工業(yè)中重要結構金屬的進一步應用，也成為了發(fā)展全鈦飛機的瓶頸[2]。本課題以TC4鈦合金為研究對象，通過合理的工藝實驗在鈦合金表面成功制備出結合力良好的Ni–P層，提高了鈦合金的耐磨性，并對鍍層的生長機理和耐磨機理，以及復合粒子的沉積機理進行研究，建立了施鍍工藝──鍍層結構──耐磨性能之間的關系[3]?；瘜W鍍Ni–P具有成本低、操作方便、掌握容易、無污染，深鍍能力強，不受工件形狀限制，鍍層均勻致密、孔隙率低、耐蝕性強、耐磨性好等優(yōu)點。鑒于化學鍍Ni–P層硬度高，耐磨性可與硬鉻層相媲美[4]，飛機發(fā)動機有許多鈦合金零部件采用了化學鍍鎳處理，顯著提高了其耐磨性，也延長了使用壽命，減少了零件報廢的數(shù)量。這都是其他表面改性技術無法比擬和代替的[5]。

1 實驗

1.1 主要材料

磷酸鈉、氟化鈉、磷酸、磷酸二氫鉀、烏洛托品、硝酸，均為市售分析純。

采用經(jīng)退火的TC4鈦合金板(50 mm × 50 mm × 5 mm)作為研究對象。

1.2 主要設備

DK-S12恒溫水浴鍋(上海森信實驗儀器有限公司)，CFT-I材料表面性能綜合測試儀(上海森信實驗儀器有限公司)，BS124S電子天平(賽多利斯科學儀器有限公司)，401MVD數(shù)顯顯微維氏硬度計(沃伯特測量儀器有限公司)，CLS-136電熱烘烤箱(華東標準烘箱有限公司)，WS-2005涂層附著力自動劃痕儀(蘭州中科有限公司)。

1.3 工藝

工藝流程為：打磨→除油→水洗→酸洗→水洗→活化→水洗→預處理→水洗→吹干→稱重→化學鍍鎳→水洗→吹干→稱重→測試。其中預處理有以下4種：

(1) 化學轉化。轉化液的主要成分為磷酸鈉、氟化鈉和酸度調(diào)節(jié)劑，其pH為5.0，室溫操作，時間8 min。

(2) 磷化。磷化液的主要成分有磷酸、磷酸二氫鉀、烏洛托品和硝酸。室溫(20 °C)操作，時間75 s。

(3) 預鍍。酸蝕出光后通過化學鍍的方式預鍍一層鎳磷合金，可以提高鍍層結合力和耐蝕性，簡化工序，改善生產(chǎn)環(huán)境?；瘜W鍍與預鍍?nèi)芤撼煞忠恢拢饕辛蛩徭?、次磷酸鈉、檸檬酸、乳酸和硫脲。其操作溫度為 85 °C，pH 9.0 ~ 9.5，時間 3 ~ 5 min。

(4) 微弧氧化。采用直流疊加脈沖的方式，脈沖電流600 Hz，平均電流密度0.8 A/dm2，時間5 min。微弧氧化溶液中含有硅酸鈉、磷酸鈉、氟化鉀和氫氧化鈉，槽液溫度低于85 °C，采用循環(huán)冷卻水對槽液進行冷卻。

1.4 鍍層性能的表征方法

1.4.1 摩擦學性能

采用蘭州中科有限公司生產(chǎn)的CFT-I材料表面性能綜合測試儀對鍍層與基體的摩擦學性能進行測試。設定加載速率100 N/min、試驗時間10 min、運行長度10 mm、旋轉半徑3 mm、掃描長度8 mm。在鍍好的試樣表面取一個位置進行檢測，測量其摩擦因數(shù)。

1.4.2 結合力

采用蘭州中科有限公司生產(chǎn)的 WS-2005涂層附著力自動劃痕儀對鍍層的結合力進行測量，聲發(fā)射模式，施加動載荷，通過聲發(fā)射信號與載荷的對應曲線來獲得鍍層破壞瞬間的臨界載荷作為其結合力，設定加載速率40 N/min、劃痕速率40 mm/min、劃痕長度3 mm，往復次數(shù)為1。在鍍好的試樣表面取2個位置進行檢測。

1.4.3 沉積速率

鎳層的沉積速率(ν)采用增重法測量，用電子天平準確稱量試樣在施鍍前后的質(zhì)量，按式(1)計算。

式中m1為試片鍍前質(zhì)量，m2為試片鍍后質(zhì)量，A為試片面積，ρ為鍍層密度(取7.9 g/cm3)，t為施鍍時間。

2 結果與討論

2.1 不同預處理工藝的鍍層沉積速率及表面形貌

由表1可知，4種預處理工藝下有3種得到了光亮、結合力良好的鍍層，只有微弧氧化得到的鍍層不光亮。沉積速率從高到低依次為化學轉化、微弧氧化、預鍍、磷化。

表1 不同預處理的結果Table 1 Results of different pretreatments

鍍層表面拍照結果見圖1。微弧氧化看上去表面晶粒細小、密集，但并不是很均勻，從3D圖可以看出其表面光滑；磷化看上去表面晶粒密集，分布均勻，3D圖中也顯示表面沒有什么凹坑，但是表面不是一粒一粒的，而是連成一個平面；化學轉化晶粒較大，分布均勻，像是一粒一粒的，看上去也比較光滑，但是從 3D圖中可以發(fā)現(xiàn)其表面不是一粒一粒的，是凹坑；預鍍表面晶粒細小、分布均勻，看上去不怎么光滑，但是從3D圖中看出其表面還是相對平滑的。

圖1 不同預處理后鍍層表面的微觀形貌Figure 1 Microscopic morphologies of surfaces of the coatings prepared after different pretreatments

2.2 不同預處理工藝的鍍層結合力

由圖2和圖3可以看出，微弧氧化表面可能有局部沒有鍍上，也可能是因為沒有活化好，不過測的部位是鍍上的，還是可以看出表面結合力比較好，能達到 20 N左右。磷化雖然表面分布均勻，晶粒細小，不過從3D圖可以看出表面不是一粒一粒的，像一個平面，從拍照的圖中可以看出表面已經(jīng)有了裂紋，而且鍍層與基體在劃痕周圍已經(jīng)分裂開來，從3D圖中也可以看出鍍層與基體的結合力明顯較差；化學轉化雖然看上去表面晶粒粗大，但是從 3D圖中看出那些其實都是凹坑，并不是一粒一粒的，是一個整體，所以測得的結合力很好，能達到35 N左右；預鍍表面晶粒細小，分布均勻，所以結合力也較好，能達到26 N左右。結合力從好到差依次為化學轉化、預鍍、微弧氧化、磷化。

圖2 不同預處理后所得化學鍍鎳層的結合力測試結果Figure 2 Results of bonding force test for Ni–P coatings prepared after different pretreatments

圖3 結合力測試的拍照結果Figure 3 Photos showing the results of bonding force test

2.3 不同預處理工藝的鍍層摩擦磨損行為

2.3.1 耐磨性

由圖4可以看出，由于基體沒有鍍層，測出來的摩擦因數(shù)波動比較大，摩擦因數(shù)也比較大，達到0.8左右。對比不同預處理后Ni–P合金鍍層的摩擦因數(shù)由高到低依次是微弧氧化、預鍍、磷化、化學轉化，說明耐磨性由高到低的順序為化學轉化、磷化、預鍍、微弧氧化。

圖4 摩擦因數(shù)檢測結果Figure 4 Results of friction factor inspection

從圖5c中的2D圖可以看出，化學轉化的鍍層表面只有很少的地方被磨損到，3D圖中也可以看出只有很少的地方是藍色的，所以化學轉化后的鍍層耐磨性最好，其摩擦因數(shù)只有0.5左右(見圖4)。從圖5b中可以看出磷化的耐磨性較好，其摩擦因數(shù)僅在0.5 ~ 0.6之間(見圖4)。從圖5d的2D圖和3D圖看出預鍍的耐磨性比化學轉化和磷化差，但是比基體有明顯的提高。從圖4中看出，微弧氧化后鍍層的耐磨性比基體還要差，說明化學鍍鎳之前基體表面沒有活化好，導致表面沒有活化好的地方無鍍層，又因局部鍍上了鎳層，結果形成了高度差。

圖5 摩擦磨損測試拍照結果Figure 5 Photos of the specimens after friction and wear test

2.3.2 磨損質(zhì)量損失

磨損分為磨料磨損和粘著磨損。磨料磨損是指硬粒子或表面凸起物被壓入較軟的表面內(nèi)，在表面橫向相對運動時，形成劃傷、鑿削、犁削等引起質(zhì)量流失的現(xiàn)象，而粘著磨損是指相互接觸的表面發(fā)生橫向相對運動時，由于表面在壓力的作用下發(fā)生冷焊而造成表面材料損失的現(xiàn)象[6]。

一般而言，材料表面相互摩擦時，磨料磨損和粘著磨損同時發(fā)生，材料表面橫向運動時，粘合處被切斷，若切斷面不在粘合位置，則磨損物質(zhì)從這一面粘附到另一面上，這樣的磨損為粘著磨損。若粘合的兩面在切斷時產(chǎn)生了微粒，則這些微粒與其他來自外界的微粒一樣，可以磨掉材料表面的物質(zhì)，此時便為磨料磨損。不論粘著磨損還是磨料磨損，都與材料表面硬度有關。硬度高的表面在粘合處斷開的可能性小，且磨損少[7]。鍍層磨損量見表2。耐磨性能由好到差依次為化學轉化、磷化、預鍍、微弧氧化。

表2 不同預處理后所得鍍層的磨損量Table 2 Wear loss of the coatings prepared after different pretreatments

2.4 預處理工藝的確定

經(jīng)過微弧氧化后化學鍍鎳的沉積速率為10.256 μm/h，制備的鍍層摩擦因數(shù)為0.9，結合力在20 N左右；經(jīng)過磷化后化學鍍鎳的沉積速率為5.526 μm/h，制備的鍍層摩擦因數(shù)為0.56，結合力在15 N左右；經(jīng)過化學轉化后化學鍍鎳的沉積速率為13.6 μm/h，制備的鍍層摩擦因數(shù)為0.5，結合力在35 N左右；經(jīng)過預鍍后化學鍍鎳的沉積速率為5.534 μm/h，制備的鍍層摩擦因數(shù)0.6，結合力約26 N。因此，應當選擇化學轉化作為TC4鈦合金化學鍍鎳的預處理工藝。

3 結論

研究了磷化、微弧氧化、預鍍和化學轉化這4種預處理工藝對鈦合金化學鍍鎳沉積速率、鍍層結合力和表面形貌的影響，并研究了4種預處理工藝下鍍鎳層的摩擦磨損行為。結果表明，化學轉化預處理后化學鍍鎳的沉積速率最高(可達13.6 μm/h)，鍍層結合力良好(可達35 N)，且摩擦因數(shù)較低(僅0.5左右)。磷化預處理后化學鍍鎳的沉積速率低，鍍層結合力較差(僅15 N左右)。微弧氧化處理后化學鍍鎳得到的鍍層結合力良好，但沉積速率僅有5.5 μm/h，摩擦因數(shù)高達0.9。預鍍后化學鍍鎳的沉積速率約為10 μm/h，鍍層結合力約為28 N，摩擦因數(shù)明顯低于鈦合金基體，但整體性能略低于化學轉化處理后得到的鍍層。

選擇化學轉化作為預處理工藝時，TC4鈦合金表面化學鍍鎳的沉積速率高，獲得的Ni–P合金鍍層晶粒細致、分布均勻，結合力高，耐磨性好。