CN101204861B - 钛合金零件保护层及其制备方法和防氢脆用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金零件保护层及其制备方法和防氢脆用途，主要包括除油、除膜、催化、化学镀镍、电镀金、热处理过程，制得的钛合金基体表面形成有氟化膜，在氟化膜镀覆有镍磷过渡层，在过渡层上镀覆有厚度为5～20μm的致密金层本发明，本发明可以有效防止钛合金基体在氢气气氛中的氢脆现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛合金表面保护层和处理方法，具体是涉及钛合金零件防氢脆保护层及其制备方法和用途，属于防护材料领域。
背景技术
钛及其合金具有一系列优异特性，广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，被誉为现代金属。然而，钛及其合金生产使用的早期，由于氢的作用导致的脆断经常发生。随着钛冶金和制造水平的提高，钛及其合金中氢含量明显降低，由冶金、制造产生的氢脆问题极少发生。然而在使用过程中，钛作为一种储氢材料，很容易吸氢造成脆化和开裂，是金属材料最危险的破坏方式之一。
目前从国内外氢脆问题的研究来看，绝大部分研究报告是偏重于氢脆机理方面，而对于控制及制造工程方面的研究薄弱。利用在钛合金表面镀覆金膜来达到防止氢渗入的工艺，在国内外还未见报导。
发明内容
本发明的目的是填补国内在这方面的空白，提供一种可以有效防止钛合金氢脆的表面处理工艺。
实现本发明的目的的技术解决方案是：对需要进行保护的钛合金基体除油、水洗后，使用本发明研制的全新除膜、催化溶液，在特定温度下，使钛合金基体表面得到除膜、催化，并形成灰色的氟化膜，可以阻止活泼的钛合金在空气中被氧化，有效提高和镀层的结合力，经过催化后的钛合金水洗后，进行化学镀镍，镀液控制PH为4.5～5.5，温度为85～95℃，搅拌条件下，在钛合金基体表面镀覆镍磷过渡层，水洗后再进行电镀金，控制温度为40～60℃，电流密度为50mA/dm2，在过渡层上镀覆出厚度为5～20μm左右的致密金层，最后在150℃以上热处理2小时以上，消除镀层中的残余应力，提高结合强度。
上面说述的除膜溶液组成是：
HNO3(70％) 20～30ml/L；HF(40％) 200～250ml/L；时间：20～30s。
催化溶液组成是：
HF(40％) 200～250ml/L；CrO3 130～150g/L；SbF3 1～5g/L；
温度：50～60℃；时间；30～60分钟。
化学镀镍溶液组成是：
NiSO4·7H2O 25～35g/L；NaH2PO2·H2O 20～30g/L；
乳酸 30～40ml/L；
PH 4～5；温度 90～95℃；时间：1～2小时。
电镀金溶液组成是：
Na2SO3 120～140g/L；亚硫酸金钠 150～175ml/L；
柠檬酸钾 110～130g/L；EDTA 35～45g/L；
PH 8～10；温度 40～60℃；电流密度 45～55mA/dm2；
时间：3～4小时
电镀金的时间可根据镀层厚度而自行调节，沉积速率为2.5～3.5μm/h。这里时间为3～4小时，使其能够在钛合金表面镀出厚度5～20μm左右的致密金镀层，性能优良，即防氢渗入——在氢气氛炉中600℃保温三小时，延伸率与断面收缩率仍然保持在14％与38％，没有金层保护的钛合金延伸率与断面收缩率下降到10％与30％；结合力好——金层与钛合金基体的结合强度大于60Mpa，超过了结构胶的极限抗拉强度；耐腐蚀性佳——在5％浓度盐水的盐雾试验中，连续48小时没有腐蚀现象。
本发明填补国内在这方面的空白，提供一种可以有效防止钛合金氢脆的表面处理工艺，使其能够在钛合金表面镀出5～20μm左右的致密金镀层，色泽均匀，并达到性能优良，即防氢渗入，结合力好，耐腐蚀性佳，在航空、航天等许多部门都有广阔的应用空间。
附图说明
图1为结合强度测试用圆筒。
图2为耐腐蚀用圆片。
具体实施方式
实施例1：
在拉伸试片上涂覆过渡镍层及金层，测试其拉伸性能。涂覆过程如下工艺流程：
化学除油→水洗→除氧化膜→水洗→浸催化液→水洗→化学镀镍→电镀金→热处理。
1.化学除油：将钛合金基体放入除油液中，加热，直至除油液沸腾，继续加热3分钟停止。
2.水洗：用水冲洗试片，防止试片表面有残余除油液。
3.除膜：HNO3(70％) 27.5ml/L；
HF(40％) 225ml/L；
温度：室温
时间：20～30s
经过除膜、水洗后，试片有明亮的金属光泽。
4.催化：HF(40％) 250ml/L；
CrO3 145g/L；
SbF3 2g/L；
温度 50℃
催化时间 30min
试片催化、蒸馏水洗后，表面形成一层深灰色的膜层，颜色随催化液的新旧、温度及时间而变化，属正常现象。
5.化学镀镍配方和参数：
NiSO4·7H2O 30g/L；
NaH2PO2·H2O 25g/L；
乳酸 36.6ml/L；
PH 4.5；
温度 90℃
时间 2小时
施镀时间根据所需镀镍层厚度而定，沉积速率大致为每小时5μm，镀液装载量按每升溶液镀1～2dm2的面积计算。
6.电镀金配方和参数：
Na2SO3 130g/L；
亚硫酸金钠 150ml/L；
柠檬酸钾 120g/L；
EDTA 40g/L；
PH 8～10；
温度 50℃；
电流密度 50mA/dm2
时间 4小时
化学镀镍后经蒸馏水洗干净后，直接放入镀金液施镀，时间根据镀层厚度而定，沉积速率大致为每小时2～3μm，电流不可过大。
7.热处理：镀金试片经水洗，擦干，放入烘箱进行200℃高温热处理，时间为2小时，以消除镀层应力，提高结合强度。
试验结果：在氢气氛炉中600℃保温三小时，延伸率与断面收缩率仍然保持在14％与38％，与未经渗氢处理的钛合金试片基本一致。
实施例2：
在Φ25mm*26mm的拉伸圆筒上涂覆过渡镍层及金层，测试其结合强度。涂覆过程如下工艺流程：
化学除油→水洗→除氧化膜→水洗→浸催化液→水洗→化学镀镍→电镀金→热处理。
1.化学除油：将圆筒放入除油液中，加热，直至除油液沸腾，继续加热3分钟停止。
2.水洗：用水冲洗圆筒，防止圆筒表面及螺纹内有残余除油液。
3.除膜：同例1
4.催化：HF(40％) 200ml/L；
CrO3 130g/L；
SbF3 2g/L；
温度 50℃
催化时间 60min
圆筒经催化、蒸馏水洗后，表面形成一层深灰色的膜层，颜色随催化液的新旧、温度及时间而变化，属正常现象。
5.化学镀镍配方和参数：同例1
施赌过程中一定要把有螺纹开口向上，防止气泡囤积影响镀层质量。
6.电镀金配方和参数：
Na2SO3 130g/L；
亚硫酸金钠 150ml/L；
柠檬酸钾 120g/L；
EDTA 40g/L；
PH 8～10；
温度 50℃；
电流密度 50mA/dm2
时间 4小时
施赌过程中一定要把有螺纹开口向上，防止气泡囤积，造成局部金层沉积不上，影响金层质量。
7.热处理：同例1
试验结果：金层与钛合金圆筒的结合强度超过60Mpa，超过了结构胶的极限抗拉强度。
例3：
在Ф50mm*2mm的圆片上涂覆过渡镍层及金层，测试其耐腐蚀性能。涂覆过程如下工艺流程：
化学除油→水洗→除氧化膜→水洗→浸催化液→水洗→化学镀镍→电镀金→热处理。
1.化学除油：同例1。
2.水洗：同例1。
3.除膜：同例1
4.催化：HF(40％) 220ml/L；
CrO3 135g/L；
SbF3 3g/L；
温度 50℃
催化时间 30min
圆片经催化、蒸馏水洗后，表面形成一层深灰色的膜层，颜色随催化液的新旧、温度及时间而变化，属正常现象。
5.化学镀镍配方和参数：同例1
6.电镀金配方和参数：同例1
7.热处理：同例1
把圆片放入盐雾试验做盐雾试验，盐水浓度为5％的NaCl溶液，试验结果：48小时，圆片表面失去金属光泽，未出现腐蚀现象。
Claims (1)
1.钛合金零件保护层的制备方法，钛合金零件保护层是在钛合金基体表面形成有氟化膜，在氟化膜镀覆有镍磷过渡层，在过渡层上镀覆有厚度为5～20μm的致密金层，该制备方法包括除油、除膜、水洗、催化、化学镀镍、电镀金、热处理工序，其特征在于：
(1)除油条件为90～100℃高温，时间为1～2分钟；
(2)除膜条件为浸入除膜溶液中，常温下，时间为20-30秒；除膜溶液的组成为：70％HNO3 20～30ml/L；40％HF 200～250ml/L；
(3)催化条件为浸入催化溶液中，温度：50～60℃；时间：30～60分钟，催化溶液的组成为：40％HF200～250ml/L；CrO3 130～150g/L；SbF3 1～5g/L；
(4)化学镀镍是将催化后的钛合金基体浸入化学镀镍溶液，pH控制为4～5，温度为90-95℃，化学镀镍溶液的组成为：NiSO4·7H2O25～35g/L，NaH2PO2·H2O 20～30g/L，乳酸30～40ml/L；
(5)电镀金是将镀完镍后的钛合金浸入电镀金溶液，温度为40～60℃，电流密度为45～55mA/dm2，沉积速率为2.5～3.5μm/h；电镀金溶液的组成为：Na2SO3 120～140g/L；亚硫酸金钠150～175ml/L；柠檬酸钾110～130g/L；EDTA 35～45g/L；pH 8～10；
(6)热处理工序为在150℃以上热处理2小时以上。
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