钛合金化学镀预处理工艺研究

吴 迪，陈燕波

(长春师范大学工程学院，吉林长春 130032)

钛及钛合金属于活泼金属(钛的标准电极电位为-1.63 V)，在空气中易与氧气发生反应，在其表面迅速形成一层致密的氧化膜，此氧化膜具有一定的耐腐蚀效果[1-4]，但由于氧化膜的存在会使化学镀工艺难以进行，如果按照传统的工艺流程进行施镀，将导致镀层与基体之间的结合力变差[5]，从而失去施镀意义。

为了在钛合金的基体上获得具有良好结合力的化学镀层，本文在传统的化学镀工艺实施前，对钛合金进行预处理，通过机械打磨、脱脂、酸洗、活化等过程去除钛合金基体的氧化膜并生成一层具有活性的转化膜[6]，为后续化学镀工艺提供了有利条件。

本试验采用氢化膜法活化工艺后在TC4钛合金表面进行化学镀镍。观察了施镀前后钛合金表面的宏观及微观形貌变化情况，分析了未经预处理过程的镀层和经预处理获得镀层的结合强度，测定了施镀前后钛合金表面的硬度值，比较了未经预处理过程的镀层和经预处理获得镀层的耐蚀效果。

1 试验

1.1 试验材料与工艺流程

试验材料为钛合金TC4(Ti6Al4V)，其成分为(质量分数)为6.70%Al，4.21%V，0.01%Fe，0.14%O，0.02%N，0.03%C，Ti余量。试样规格为40 mm×20 mm×1 mm。

机械打磨的目的是去除工件表面刮痕、锈迹、氧化皮和其它表面杂质和缺陷，进而获取光洁平滑的表面，试验过程中依次用水磨砂纸120目—240目—360目—400目—500目—800目—1000目—1500目—2000目进行打磨。打磨时，先沿同一个方向进行打磨，再旋转90度进行打磨直至之前的磨痕消失，再回原来的方向打磨，直至在金相显微镜下观测钛合金表面没有明显划痕。脱脂的目的是去除试样表面的油污及油脂，试验采用浸渍脱脂的方法，将碱性溶液(NaOH 40 g·L-1，Na2CO330 g·L-1，Na3PO430 g·L-1)加热至75～85℃浸泡15～20 min，经多次水洗后用超声波再次清洗。化学浸蚀的目的是去除脱脂后钛合金基体上迅速产生的薄氧化膜。室温条件下，将试样置于酸浸蚀液(HF 25V%，HNO375V%)中，至冒红烟为止。活化的目的是将钛合金表面的氧化膜去掉后形成活性膜，从而提高化学镀层与钛合金基体的结合效果。室温条件下，将试样置于活化液(HF 12.5V%，CH3COOH 87.5V%;室温)中，5～10 min后水洗。化学镀工艺采用传统的化学镀镍工艺，在钛合金表面制备Ni-P镀层，工艺参数为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，阳离子表面活性剂 0.1～0.6 g·L-1，温度控制在80～92℃，采用间歇式搅拌方式施镀1.5 h[7-8]。

1.2 测试方法

采用金相显微镜及扫描电镜观察钛合金基体酸洗后、活化后及施镀后的表面微观形貌；采用洛氏硬度计测定了施镀前后钛合金的硬度值；采用网格试验测试了未经预处理过程的镀层和经预处理获得镀层的结合强度；采用失重法测试镀层的腐蚀情况，分析了未经预处理过程的镀层和经预处理获得镀层的耐蚀性能。

2 结果与讨论

2.1 表面形貌

经机械打磨后的TC4钛合金表面呈银白色金属光泽，经预处理及化学镀后的钛合金表面形成了Ni-P镀层，镀层表面平整呈银灰色金属光泽。

图1为预处理过程中TC4钛合金表面的微观形貌。图1(a)为TC4经机械打磨后的基体形貌，无明显氧化膜，存在一定数量的划痕；图1(b)为TC4经化学浸蚀后的表面形貌，明显看出浸蚀效果；图1(c)为TC4经活化处理后的表面形貌，表面形成了一层致密的氢化膜，为后续的化学镀工艺提供有利条件。

图1 TC4钛合金的表面形貌(×500)

图2为TC4钛合金表面Ni-P镀层的微观形貌，可见镀层呈胞状突起表面形貌。胞状物是由试片表面活性化中心在沉积反应中逐渐形成的。这些Ni-P合金沉积的胞状物逐渐长大彼此连在一起形成致密、均匀、连续的镀层。

2.2 硬度测定

采用上海尚材试验机有限公司HR-150A型洛氏硬度计对试样进行硬度测试，表1分别为TC4基体、未经预处理镀层及经预处理镀层的硬度值。

表1 TC4基体、未经预处理镀层及经预处理镀层的硬度值(HRC)

由表1可知，经机械打磨后的钛合金基体的硬度值为36.2HRC，经预处理获得的镀层硬度值有明显提高，达到53HRC，而未经预处理得到的镀层在进行硬度值测定的过程中，出现了起皮的现象，导致测量值不准确。而起皮的现象则是由于镀层与基体结合不良导致的。

2.3 镀层结合情况分析

采用锉刀在未经预处理镀层和经预处理镀层的表面划3条平行线，用力使刀尖划至基体，根据平行线处是否有镀层脱落或从基体裂开来判断结合力的好坏。试验结果如表2所示，未经预处理的镀层出现了明显的脱落、开裂等现象，说明镀层和钛合金基体之间的结合强度低，而经预处理获得的镀层完整，无脱落、开裂等现象，说明镀层与钛合金基体表面结合力良好。

表2 未经预处理镀层及经预处理镀层的结合强度比较

2.4 镀层耐蚀性能分析

腐蚀性试验采用10%的HCl溶液浸泡试样，试验时间为2 h，观察其腐蚀现象，并记录腐蚀前后的质量变化情况。结果如表3所示，经预处理获得的镀层腐蚀前后质量变化较小，仅为0.069 g，而未经预处理获得的镀层腐蚀前后质量变化为0.185 g，由此可知TC4钛合金经预处理后得到的化学镀层具有更好的耐蚀性能。

表3 不同预处理后镀层前后工件质量变化

3 结论

(1)TC4钛合金经机械打磨、脱脂、化学浸蚀、活化等预处理工艺后表面形成了具有活性的氢化膜，后经传统的化学镀镍工艺得到了结合力优良的化学镀层，镀层表面平整呈银灰色金属光泽。

(2)与未经预处理得到的镀层相比，经过以上预处理得到的镀层与钛合金基体具有良好的结合力并具有良好的硬度和耐蚀性能。