CN102286734B - 一种钛合金表面金属镀覆的前处理工艺及金属镀覆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金表面金属镀覆的前处理工艺及使用该前处理工艺制备金属镀覆的方法。其步骤为钛合金经碱性除油之后浸入80℃的H2C2O4溶液中伴随超声波浸蚀处理3h，再经高效的离子钯活化处理剂活化1～2min，化学还原30~60s之后即可进行金属镀覆。镀覆时将预处理过的钛合金放入80～90℃的酸性溶液中金属镀覆2～3h，取出后漂洗可获得Ni-P、Ni-B及Ni-P/Ni-B合金镀层，在250～350℃下烘干处理30～45min即得成品。本发明具有工艺简单，绿色无氟，处理液可多次循环使用等优点的钛合金金属镀覆前处理工艺。

Description

一种钛合金表面金属镀覆的前处理工艺及金属镀覆方法
技术领域
本发明属于钛合金表面处理技术领域，涉及了一种钛合金表面金属镀覆的前处理工艺及镀覆合金镀层的具体方法。
背景技术
钛及钛合金具有高比强度、优良的耐腐蚀性、良好的高温性能等，是20世纪50年代新兴的一种结构和功能材料。目前钛合金主要用于航空航天和军事工业上，成为制造高性能航空发动机风扇、压气机轮盘、叶片等重要构件的主选材料，被誉为“太空金属”。
微动损伤是机械零件的重要失效形式之一，微动损伤是机械和化学作用的组合一种典型的复合磨损形式，表现为表面粘着、磨损、腐蚀，并拌有降低材料疲劳强度的群聚裂纹，有的裂纹向体内扩展，从而形成疲劳断裂源。而钛合金对微动疲劳损伤十分敏感，尽管钛合金在许多介质中表现出优异的抗腐蚀性能，但在微动的作用下，钛合金表面保护膜会不断地被磨去，同时造成缺口效应，使得钛合金疲劳强度显著降低。因此探讨一条表面处理(表面涂层与改性)的新途径，以使钛合金抗微动疲劳性能得以显著改善对于发展高可靠性、长寿命航空发动机等重要结构是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术存在的缺陷，而提供一种钛合金表面金属镀覆的前处理工艺及金属镀覆方法。
采用的技术方案：
一种钛合金表面金属镀覆的前处理工艺及金属镀覆方法，其特征包括以下步骤：
a)表面预处理：本发明所用材料为钛及钛合金，预处理要依次进行酸洗、碱洗。酸洗在20％的H2SO4溶液中60℃下处理15min，经水洗后放入煮沸的10％NaOH溶液中碱洗10min。
b)草酸浸蚀：用蒸馏水配置15％的H2C2O4溶液，将步骤(1)的钛合金在80℃H2C2O4溶液中处理3h。
c)表面活化：配置离子钯活化处理剂，其每升活化处理剂的组成和含量为：PdCl2 0.5g/L、NH4Cl 0.3g/L及d-氨基吡啶2g/L。将经b)浸蚀过的钛合金在该处理剂中室温活化1～2min。
d)还原：将经c)表面活化过的钛合金经水洗后浸入配置好的高效还原剂中30～60s。
e)金属镀覆：将经步骤d)还原好的钛合金浸入配制好的镀覆溶液中，控制镀液pH值和温度，进行化学施镀，施镀时间因镀层厚度要求而定。
f)热处理：将经步骤e)金属镀覆的钛合金在自然干燥后放入所需温度的马弗炉中热处理一定时间，取出即可。
本发明所述步骤a)表面预处理、b)草酸浸蚀、c)表面活化d)解胶及e)金属镀覆在各工序完成之后，均要对钛合金进行水洗。
本发明所述步骤b)草酸浸蚀过程中对浸蚀液连同其中的基体进行间歇式超声波作用(选取超声频率为25～50KHz)，每隔30min振动10min，共超声振动4次。
本发明所述步骤c)离子钯活化处理剂的配置要在50℃下保温3h之后方可使用。
本发明在进行步骤e)金属镀覆时采用本发明专门的金属镀覆工艺配方，其具体工艺配方为表一所述。
本发明在钛合金基体上镀覆得到合金镀层不像在其他金属如：钢铁、镁合金等容易实现，这是因为钛台金表面有一层致密的氧化物薄膜，而且钛合金新鲜表面一旦暴露在大气或水溶液中，会立即生成新的氧化膜，为使金属镀覆过程顺利进行并获得结合力良好的镀层，在施镀前就必须对钛合金进行特殊的处理，破坏或阻止这层膜的形成，通常对钛合金的处理方法是用三酸或单独氢氟酸进行酸洗，此举不但污染严重又对钛合金基体造成了严重的损伤，为此本文采用绿色无氟的草酸进行浸蚀处理，该工艺可以去除钛基表面的氧化膜并得到点蚀的表面，为后续形成合金镀层做好准备。浸蚀过的钛合金要立即进行活化处理，活化的目的是在钛基表面上吸附一定量的活化中心，催化随后的镀覆过程。本发明创意的将非金属镀覆活化工艺引用到钛合金上取得很好的效果，改进的离子型活化处理剂克服了胶体钯活化过程中基体表面吸附一层亚锡离子而影响化学镀层的均匀性和附着力的缺点，并且可以长期使用不沉降。该活化处理剂性能稳定，镀层结合力好，无污染，多次试验证实使用该处理剂可以在钛合金表面得到镀层较好的合金镀层。
本发明的主要优点：
首先，形成的合金镀层能有效降低钛合金疲劳强度并提高耐磨、耐蚀性能，在许多介质中较稳定，在500℃下可长期使用无低熔点金属致脆。其次，该法膜层厚度可控，通过镀覆二元或三元合金镀层可调整膜层的韧性和润滑性能，即膜层的性质可人为设计。再次，金属镀覆方法还具有均镀能力好、致密、表面光洁、孔隙少，施镀时不需要电源、不需要抽真空、污染小、工艺过程温度低(通常均在100℃以下)，且不需要昂贵和特殊的设备，操作过程无污染，绿色环保。
具体实施方案
本发明所述的钛合金表面金属镀覆方法可以有以下两种实现途径，即：(1)表面镀覆Ni-P合金；(2)表面镀覆Ni-B合金。在实际制备过程中可根据具体需要选择适宜途径。
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，按表1配方实施。
表1：本发明实施例使用的施镀工艺
Figure GDA0000096870350000031
实施例1
按表1中01号施镀工艺的配方要求配制Ni-P金属镀覆溶液，并调整镀液pH值至4.8备用。将加工成15mm×10mm×5mm的钛合金材料依次进行酸洗、碱洗、浸蚀、活化和还原处理，用蒸馏水漂洗过的钛合金浸没于温度控制在90士2℃的镀液中，无外加搅拌情况下化学镀施镀2h以使镀层厚度达15μm。取出后以自来水、蒸馏水依次漂洗，吹干。然后将得到的Ni-P合金在250℃马弗炉中烧结2h，自然晾干即得到钛合金镀覆Ni-P合金涂层。
通过XRD及SEM观察镀层的结构组成、表面形貌及断面组织，结果表明得到的Ni-P合金镀层250℃×2h热处理之后为非晶态，晶面结构均匀、完整。镀层结合力的测试方法采用拉伸试验及热震试验和锉磨法，结果表明在一定条件下镀层均不起皮、匀裂和脱落，Ni-P合金镀层与基体之间有良好的结合力。用Tafel曲线和盐水浸泡试验评估了Ni-P合金镀层的电化学腐蚀行为。结果表明该镀层使金属基体的耐蚀性有较大幅度的提高。
实施例2
除按表1中02号施镀工艺的配方要求配制Ni-B金属镀覆溶液，并调整镀液pH值至12.5外，其余同实施例1。
通过XRD及SEM观察镀层的结构组成、表面形貌及断面组织，结果表明得到的Ni-B合金镀层250℃×2h热处理之后为非晶态，晶面结构均匀完整。镀层结合力的测试方法采用拉伸试验及热震试验和划痕法，结果表明在一定条件下镀层均不起皮、匀裂和脱落。用Tafel曲线和盐水浸泡试验评估了Ni-P合金镀层的电化学腐蚀行为。结果表明该镀层使金属基体的耐蚀性有较大幅度的提高。
实施例3
将经预处理过的钛合金先浸没于配置好的90℃条件下的Ni-P金属镀覆溶液中镀覆30min，然后在85℃条件下金属镀覆Ni-B合金镀层60min，从而得到Ni-P/Ni-B复合镀层。取出后以自来水、蒸馏水依次漂洗，吹干。然后将得到的Ni-P/Ni-B复合镀层在250℃马弗炉中烧结2h，自然晾干即可。
通过SEM进行观察两次施镀后样品的表面形貌及截面形貌，结果显示两镀层之间结合紧密，相容性好，没有明显的孔隙。采用拉伸试验及热震试验和划痕法测试镀层结合，结果表明在一定条件下镀层均不起皮、匀裂和脱落。用Tafel曲线和盐水浸泡试验评估了Ni-P合金镀层的电化学腐蚀行为。结果表明该镀层使金属基体的耐蚀性有较大幅度的提高。
实施例4
除将热处理温度变为400℃×2h外其他处理同实施例1。
通过XRD及SEM观察镀层的结构组成、表面形貌及断面组织，结果表明得到的Ni-P合金镀层在400℃×2h处理之后使镀层完全晶化，镀层表面更加细腻、均匀。镀层结合力的测试方法采用拉伸试验及热震试验和划痕法，结果表明在一定条件下镀层均不起皮、匀裂和脱落。用Tafel曲线和盐水浸泡试验评估了Ni-P合金镀层的电化学腐蚀行为，结果表明该镀层使金属基体的耐蚀性有较大幅度的提高。
实施例5
除将热处理温度变为400℃×2h外其他处理同实施例2。
通过XRD及SEM观察镀层的结构组成、表面形貌及断面组织，结果表明得到的Ni-P合金镀层在400℃×2h处理之后使镀层完全晶化，镀层表面更加细腻、均匀。镀层结合力的测试方法采用拉伸试验及热震试验和划痕法，结果表明在一定条件下镀层均不起皮、匀裂和脱落。用Tafel曲线和盐水浸泡试验评估了Ni-P合金镀层的电化学腐蚀行为，结果表明该镀层使金属基体的耐蚀性有较大幅度的提高。
实施例6
除将热处理温度变为400℃×2h外其他处理同实施例3。
通过XRD及SEM观察镀层的结构组成、表面形貌及断面组织，结果表明得到的Ni-P合金镀层在400℃×2h处理之后使镀层完全晶化，镀层表面更加细腻、均匀。镀层结合力的测试方法采用拉伸试验及热震试验和划痕法，结果表明在一定条件下镀层均不起皮、匀裂和脱落。用Tafel曲线和盐水浸泡试验评估了Ni-P合金镀层的电化学腐蚀行为，结果表明该镀层使金属基体的耐蚀性有较大幅度的提高。

Claims (1)

1.一种钛合金表面金属镀覆的前处理工艺，其特征在于包括以下步骤：
a)预处理：取钛合金试样在20%的H2SO4溶液中60℃下处理15min，经水洗后放入煮沸的10%NaOH溶液中碱洗10min，以备浸蚀使用；
b)草酸浸蚀：用蒸馏水配置15%的H2C2O4溶液，将经过步骤a）处理的钛合金在80℃H2C2O4溶液中处理3h；浸蚀过程中对浸蚀液连同其中的基体进行间歇式超声波作用，每隔30min振动10min，共超声振动4次；
c)表面活化：采用一种用于非金属镀覆的活化处理剂，其每升活化处理剂的组成和含量为：PdCl2 0. 5g/ L 、NH4Cl 0. 3g/ L及α-氨基吡啶2 g/ L，将经b)浸蚀过的钛合金在该处理剂中室温活化1～2min；
d) 还原：将经过步骤c)表面活化过的钛合金经水洗后浸入配置好的还原剂中还原30~60s。
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