CN110777409A - 用于活化钛基底的组合物和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称是用于活化钛基底的组合物和方法。在基底上沉积材料之前预处理基底的方法，方法包括：将基底浸入在活化溶液中持续预定的时间段，活化溶液包括氟化物盐、氢氟酸、硫酸和水。

Description

用于活化钛基底的组合物和方法
技术领域
本申请涉及沉积到基底上的材料，并且更具体地涉及用于活化金属基底的组合物和方法，以及用于电沉积锡-铋合金到金属基底上的组合物和方法。
背景技术
机械紧固件广泛用于接合结构组件中的两个或更多个零件。例如，机械紧固件广泛用于接合飞机机身的结构零件。
飞机经历来自各种来源的电磁效应(EME)，例如雷击和降水静电。金属飞机结构容易导电，并因此相对不易受电磁效应的影响。然而，复合材料(如，碳纤维增强塑料)飞机结构不容易传导源于电磁效应的显著电流和电磁力。因此，当在复合材料飞机结构中使用机械紧固件时，必须采取措施来防止电磁效应。
电磁效应保护可以以导电金属表面沉积物的形式提供给机械紧固件，诸如金属镀层。虽然各种金属表面沉积物可以提供合适的导电性以赋予电磁效应保护，但是其它因素——诸如润滑性(lubricity)和与碳纤维增强塑料的电流兼容性——也是旨在用于航空航天工业的机械紧固件的考虑因素。
锡以α和β相存在。α锡是灰色的，粉状的并且形成疫病(pest)，而β锡是白色的并且具有体心四方晶体结构。当锡与铋以大于0.4重量％的浓度合金化时，锡开始以β相存在。由于其导电性、润滑性和与碳纤维增强塑料的电流兼容性，锡-铋有望成为机械紧固件的合适金属表面沉积物。
因此，本领域技术人员继续在电沉积领域中进行研究和开发努力。
发明内容
活化溶液包括水、氟化物盐、氢氟酸和硫酸。
活化溶液包括水；溶解在水中的氟化钾、氟化锂、氟化钠、氟化铷、氟化钡和氟化锶中的至少一种；溶解在水中的氢氟酸和溶解在水中的硫酸。
活化溶液包括水；溶解在水中的氟化钾、氟化锂、氟化钠、氟化铷、氟化钡和氟化锶中的至少一种，基于活化溶液的总体积其浓度范围从约5克/升至约120克/升；溶解在水中的氢氟酸，基于活化溶液的总体积其浓度范围为约5毫升/升至约250毫升/升；和溶解在水中的硫酸，基于活化溶液的总体积其浓度范围为约1体积％至约45体积％。
制备活化溶液的方法包括以下步骤：(1)将硫酸与水混合以产生第一酸性溶液，(2)将氢氟酸与第一酸性溶液混合以产生第二酸性溶液，和(3)将氟化物盐溶解在第二酸性溶液中。
一种在基底上沉积材料之前预处理基底的方法，该方法包括将基底浸入活化溶液中持续预定时间段的步骤，该活化溶液包括水、溶解在水中的氟化物盐、溶解在水中的氢氟酸和溶解在水中的硫酸。
根据以下详细说明，附图和所附权利要求，所公开的用于活化金属基底的组合物和方法的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1是描绘公开的用于将材料沉积到基底上的方法的流程图；
图2是根据图1的方法沉积到钛基底上的锡-铋合金的显微照片；
图3是描绘一个公开的用于活化根据图1的方法的基底(诸如钛基底)的方法的流程图；
图4是根据图3的方法用于活化基底的系统的示意性说明；
图5是描绘另一个公开的用于活化根据图1的方法的基底(诸如钛基底)的方法的流程图；
图6是根据图5的方法用于活化基底的系统的示意性说明；
图7是描绘又另一个公开的用于活化根据图1的方法的基底(诸如钛基底)的方法的流程图；
图8是根据图7的方法用于活化基底的系统的示意性说明；
图9是用于触击电镀根据图1的方法的基底的系统的示意性说明；
图10是描绘一个公开的用于将锡-铋合金电沉积到根据图1的方法的基底上的方法的流程图；
图11是用于根据10的方法沉积锡-铋合金的电沉积系统的示意性说明；
图12是飞机制造和使用方法的流程图；和
图13是飞机的框图。
具体实施方式
公开了用于活化金属基底(诸如金属紧固件或其他部件/零件)的组合物、系统和方法。还公开了用于将材料沉积到金属基底(诸如金属紧固件或其他部件/零件)上的组合物、系统和方法。公开的组合物、系统和方法可以单独使用或以各种组合使用，以在基底上实现期望的材料沉积物。
参考图1，公开了一种用于将材料沉积到基底上的方法，一般地指定为10。虽然仅显示了三个一般步骤，但是本领域技术人员将理解，可以在所呈现的步骤之前、之后或之间执行各种另外的步骤，而不会导致脱离本公开的范围。
方法10的初始步骤(方框12)包括预处理基底以使基底适于在其上接收材料，诸如金属沉积物或其他金属/非金属材料。可以进行各种预处理，诸如清洁、脱脂、蚀刻等。具体地，预处理步骤(方框12)可以包括活化基底的表面(方框14)。例如，在钛基底的情况下，活化基底表面(方框14)的步骤可以去除(或至少大幅减少)已知在其上形成的粘滞的氧化物层。
方法10的中间步骤(方框16)包括触击电镀预处理的基底。触击电镀基底表面(方框16)的步骤可以在基底的表面上形成薄的金属层，从而为基底提供更适合用于接收和结合随后的金属沉积物的表面。在具体的实施中，触击电镀步骤(方框16)可以在基底的表面上形成薄的镍层。
方法10的最终步骤(方框18)包括电沉积到触击电镀的基底上。电沉积步骤(方框18)可以在基底的表面上形成金属沉积物。在具体的实施中，电沉积步骤(方框18)可以在基底的表面上沉积锡-铋合金。
参考图2，公开的方法10用于将薄的锡-铋合金层沉积到钛合金(Ti–6Al–4V)基底的表面上。结果是在锡-铋合金沉积物与下面的钛合金基底之间优异的结合。
虽然本公开主要聚焦钛基底-由钛或钛合金(诸如Ti-6Al-4V)形成的基底，但相信公开的方法10以及公开的方法10的各个步骤(例如，活化步骤(方框14)、触击电镀步骤(方框16)和/或电沉积步骤(方框18)可适合用于非钛基底。可受益于本公开的非钛基底的实例包括但不限于铁合金、铜合金和镍合金(如，Inconel)。
活化
公开了三种活化方法，包括相关的组合物和系统。可以使用所公开的活化方法中的仅一种来活化金属基底，诸如钛基底。可选地，可以使用多种活化方法(如，一系列活化方法)——包括所公开的活化方法中的一种或多种——活化金属基底，诸如钛基底。
参考图3和4，一般地指定为100的第一活化方法可以在方框110(图3)处以制备包含活化溶液154的浴槽152(如图4中所示)的步骤开始。浴槽152和活化溶液154可以构成第一活化系统150。
浴槽152可以是适合用于接收和包含活化溶液154的任何容器。在组成上，形成浴槽152的材料应该与活化溶液154化学相容。当然，浴槽152的尺寸和形状被设计为能够在其中接收由第一活化系统150活化的基底156。
活化溶液154包括水(H2O)，溶解在水中的铵盐和溶解在水中的硫酸(H2SO4)。活化溶液154可以保持在大气压(如，1atm)下和约15℃和约50℃之间的温度(如，室温(～21℃))下。然而，考虑使用更高和更低的压力，以及更高和更低的温度，并且将不会导致脱离本公开的范围。
活化溶液154中的铵盐可具有含氟阴离子。在一种配方中，活化溶液154中的铵盐是氟化氢铵(NH4HF2)。在另一种配方中，活化溶液154中的铵盐是氟硼酸铵(NH4BF4)。在又另一种配方中，活化溶液154中的铵盐包括氟化氢铵(NH4HF2)和氟硼酸铵(NH4BF4)二者。
基于活化溶液154的总体积，活化溶液154中的铵盐可以以范围从约10克/升至约150克/升的浓度存在。在一个可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，铵盐浓度范围为约20克/升至约120克/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，铵盐浓度范围为约30克/升至约110克/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，铵盐浓度范围为约40克/升至约100克/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，铵盐浓度范围为约50克/升至约100克/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，铵盐浓度范围为约60克/升至约100克/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，铵盐浓度范围为约70克/升至约90克/升。在仍可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，铵盐浓度为约80克/升。
基于活化溶液154的总体积，活化溶液154中的硫酸可以以约1体积％至约70体积％的浓度存在。在一个可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，硫酸浓度范围为约2体积％至约50体积％。在另一个可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，硫酸浓度范围为约3体积％至约40体积％。在另一个可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，硫酸浓度范围为约4体积％至约30体积％。在另一个可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，硫酸浓度范围为约5体积％至约25体积％。在另一个可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，硫酸浓度范围为约5体积％至约15体积％。在又另一个可选的表达中，基于活化溶液154的总体积，硫酸的浓度为约10体积％。
作为一个具体非限制性实例，活化溶液154包括水，80克/升的氟化氢铵(NH4HF2)和10体积％的硫酸(H2SO4)。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以以各种方式制造活化溶液154。在一个具体实施中，公开的制造活化溶液154的方法包括以下步骤：(1)将硫酸(如，66波美度硫酸)与水(如，去离子水)混合以产生酸性溶液，(2)将铵盐(如，氟化氢铵和/或氟硼酸铵)溶解在酸性溶液中；和(3)如果需要，添加额外的水，以补充活化溶液154所需的总体积。
在方框120处(图3)，将基底156浸入(如，完全浸入)在活化溶液154中。基底156可以在从活化溶液154移出基底156之前保持浸入在活化溶液154中持续预定的时间段，如方框130所示(图3)。在钛基底(基底156)的情况下，可以选择预定的时间段，使得活化溶液154有足够的时间来减少/消除基底156上的粘滞的氧化物层而不会显著干扰在氧化物层下面的钛/钛合金。在一个表达中，预定的时间段是约5秒至约120秒。在另一个表达中，预定的时间段是约10秒至约100秒。在另一个表达中，预定的时间段是约20秒至约40秒。在又另一个表达中，预定的时间段是约30秒。
在方框140处(图3)，从活化溶液154移出的基底156可以用冲洗流体冲洗。作为实例，冲洗流体可以是水，诸如去离子水。
参考图5和6，一般地指定为200的第二活化方法可以在方框202处(图5)以制备包含活化溶液254的浴槽252开始，如图6所示。浴槽252和活化溶液254可以构成第二活化系统250。
浴槽252可以是适合于接收和包含活化溶液254的任何容器。在组成上，形成浴槽252的材料应该与活化溶液254化学相容。当然，浴槽252的尺寸和形状应该被设计为能够在其中接收由第二活化系统250活化的基底256。
活化溶液254包括水(H2O)，溶解在水中的氟化物盐、溶解在水中的氢氟酸(HF)和溶解在水中的硫酸(H2SO4)。活化溶液254可以保持在大气压(如，1atm)下和约15℃和约50℃之间的温度(如，室温(～21℃))下。然而，考虑使用更高和更低的压力，以及更高和更低的温度，并且将不会导致脱离本公开的范围。
活化溶液254中的氟化物盐可具有碱金属阳离子和/或碱土金属阳离子。在一种配方中，活化溶液254中的氟化物盐是氟化钾(KF)。在另一种配方中，活化溶液254中的氟化物盐是氟化锂(LiF)。在另一种配方中，活化溶液254中的氟化物盐是氟化钠(NaF)。在另一种配方中，活化溶液254中的氟化物盐是氟化铷(RuF)。在另一种配方中，活化溶液254中的氟化物盐是氟化钡(BaF2)。在另一种配方中，活化溶液254中的氟化物盐是氟化锶(SrF2)。在又另一种配方中，活化溶液254中的氟化物盐包括氟化钾(KF)、氟化锂(LiF)、氟化钠(NaF)、氟化铷(RuF)、氟化钡(BaF2)、和氟化锶(SrF2)中的至少两种。
基于活化溶液254的总体积，活化溶液254中的氟化物盐可以以范围从约5克/升至约120克/升的浓度存在。在一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，氟化物盐浓度范围为约10克/升至约100克/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，氟化物盐浓度范围为约15克/升至约75克/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，氟化物盐浓度范围为约15克/升至约50克/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，氟化物盐浓度范围为约15克/升至约30克/升。在又可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，氟化物盐浓度为约20克/升。
基于活化溶液254的总体积，活化溶液254中的氢氟酸可以以范围为约5毫升/升至约250毫升/升的浓度存在。在一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，氢氟酸浓度范围为约10毫升/升至约200毫升/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，氢氟酸浓度范围为约15毫升/升至约150毫升/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，氢氟酸浓度范围为约20毫升/升至约150毫升/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，氢氟酸浓度范围为约30毫升/升至约100毫升/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，氢氟酸浓度范围为约40毫升/升至约80毫升/升。在又另一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，氢氟酸浓度为约60毫升/升。
基于活化溶液254的总体积，活化溶液254中的硫酸可以以约1体积％至约45体积％的浓度存在。在一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，硫酸浓度范围为约2体积％至约35体积％。在另一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，硫酸浓度范围为约2体积％至约20体积％。在另一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，硫酸浓度范围为约3体积％至约15体积％。在另一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，硫酸浓度范围为约3体积％至约10体积％。在又另一个可选的表达中，基于活化溶液254的总体积，硫酸的浓度为约5体积％。
作为一个具体非限制性实例，活化溶液254包括水、20克/升氟化钾(KF)、60毫升/升氢氟酸(HF)、和5体积％硫酸(H2SO4)。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以以各种方式制造活化溶液254。在一个具体实施中，公开的制造活化溶液254的方法包括以下步骤：(1)将硫酸(如，66波美度硫酸)与水(如，去离子水)混合以产生第一酸性溶液，(2)将氢氟酸(如，水中48wt％)与第一酸性溶液混合以产生第二酸性溶液，(3)将氟化物盐(如，氟化钾)溶解在第二酸性溶液中；和(4)如果需要，添加额外的水，以补充活化溶液254所需的总体积。
在方框204处(图5)，将基底256浸入(如，完全浸入)在活化溶液254中。基底256可以在从活化溶液254移出基底256之前保持浸入在活化溶液254中持续预定的时间段，如方框206所示(图3)。在钛基底(基底256)的情况下，可以选择预定的时间段，使得活化溶液254有足够的时间来减少/消除基底256上的粘滞的氧化物层而不会显著干扰在氧化物层下面的钛/钛合金。在一个表达中，预定的时间段是约5秒至约120秒。在另一个表达中，预定的时间段是约10秒至约100秒。在另一个表达中，预定的时间段是约20秒至约40秒。在又另一个表达中，预定的时间段是约30秒。
在方框208处(图5)，从活化溶液254移出的基底256可以用冲洗流体冲洗。作为实例，冲洗流体可以是水，诸如去离子水。
参考图7和8，一般地指定为300的第三活化方法可以在方框302处(图7)以制备包含活化溶液354的浴槽352开始，如图8所示。浴槽352和活化溶液354，连同石墨电极358和电流源360，可以构成第三活化系统350，其可以被用于执行阳极硫酸方法(第三活化方法300)，如本文中所描述。
浴槽352可以是适合于接收和包含活化溶液354的任何容器。在组成上，形成浴槽352的材料应该与活化溶液354化学相容。当然，浴槽352的尺寸和形状应该被设计为能够在其中接收由第三活化系统350活化的石墨阳极358和基底356。
活化溶液354包括水(H2O)，和溶解在水中的硫酸(H2SO4)。活化溶液354可以保持在大气压(如，1atm)下和约15℃和约50℃之间的温度(如，室温(～21℃))下。然而，考虑使用更高和更低的压力，以及更高和更低的温度，并且将不会导致脱离本公开的范围。
基于活化溶液354的总体积，活化溶液354中的硫酸可以以约5体积％至约45体积％的浓度存在。在一个可选的表达中，基于活化溶液354的总体积，硫酸浓度范围为约5体积％至约35体积％。在另一个可选的表达中，基于活化溶液354的总体积，硫酸浓度范围为约5体积％至约30体积％。在另一个可选的表达中，基于活化溶液354的总体积，硫酸浓度范围为约5体积％至约25体积％。在另一个可选的表达中，基于活化溶液354的总体积，硫酸浓度范围为约10体积％至约20体积％。在又另一个可选的表达中，基于活化溶液354的总体积，硫酸的浓度为约15体积％。
作为一个具体非限制性实例，活化溶液354包括水和15体积％硫酸(H2SO4)。
在方框304(图7)处，基底356浸入(如，完全浸入)在活化溶液354中。导线368可以将浸入的基底356与电流源360的第一端子364电耦合。
在方框306(图7)处，石墨电极358浸入(如，完全浸入)在活化溶液354中。导线366可以将浸入的石墨电极358与电流源360的第二端子362电耦合。
在方框308(图7)处，电流源360被致动，使得电流在基底356和石墨电极358之间通过。电流源360可以被配置为使得基底356用作阳极，从而蚀刻基底356。在钛基底(基底356)的情况下，阳极硫酸法(第三活化法300)可以减少/消除基底356上的粘滞的氧化物层而不会显著地干扰氧化物层下面的钛/钛合金。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以以各种电流密度执行通过电流的步骤(方框308)。本领域技术人员将理解，电流密度是可控参数，并且选择适当的电流密度可能需要考虑各种因素，诸如通过步骤的持续时间(方框308)以及其他因素。在一个表达中，基于基底356的表面积，在通过步骤(方框308)期间通过的电流可以具有范围从约10安培/平方英尺到约80安培/平方英尺的电流密度。在另一个表达中，基于基底356的表面积，在通过步骤(方框308)期间通过的电流可具有范围从约20安培/平方英尺到约60安培/平方英尺的电流密度。在另一个表达中，基于基底356的表面积，在通过步骤(方框308)期间通过的电流可以具有范围从约20安培/平方英尺至约40安培/平方英尺的电流密度。在又另一个表达中，基于基底356的表面积，在通过步骤(方框308)期间通过的电流可以具有约30安培/平方英尺的电流密度。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以执行通过电流的步骤(方框308)持续不同的持续时间。本领域技术人员将理解，电流持续时间是可控参数，并且选择适当的持续时间可能需要考虑各种因素，诸如电流密度等因素。在一个表达中，通过步骤(方框308)可以执行约5秒至约120秒。在另一个表达中，通过步骤(方框308)可以执行约10秒至约100秒。在另一个表达中，通过步骤(方框308)可以执行约10秒至约60秒。在另一个表达中，通过步骤(方框308)可以执行约15秒至约45秒。在又另一个表达中，通过步骤(方框308)可以执行约20秒至约30秒。
在方框310处(图7)，基底356与电流源360断开并从活化溶液354移出。
在方框312处(图7)，基底356可以用冲洗流体冲洗。作为实例，冲洗流体可以是水，诸如去离子水。
触击电镀
各种触击电镀工艺，包括镍触击电镀工艺(例如Wood's镍触击)在本领域中是已知的，并且可以在图1的方法10中使用而不脱离本公开的范围。然而，所公开的是一种具体的镍触击电镀方法，其产生了优异的基底至随后的电镀结合，如图2所示。
参考图9，一般地指定为450的触击电镀系统包括浴槽452、接收在浴槽452中的电解质溶液454、浸入在电解质溶液454中的镍阳极458，和电流源460。电流源460可以包括第一端子462和第二端子464。镍阳极458可以通过导线468与第二端子464电耦合。
浴槽452可以是适合用于接收和包含电解质溶液454的任何容器。在组成上，形成浴槽452的材料应该与电解质溶液454在化学上相容。当然，浴槽452的尺寸和形状应该设计为能够在其中接收基底456和镍阳极458。
电解质溶液454包括水(H2O)，溶解在水中的氯化镍(NiCl2)和溶解在水中的盐酸(HCl)。电解质溶液454可以保持在大气压(如，1atm)下和约15℃和约50℃之间的温度(如，室温(～21℃))下。然而，考虑使用更高和更低的压力，以及更高和更低的温度，并且不会导致脱离本公开的范围。
基于活化溶液354的总体积，电解质溶液454中的氯化镍可以以范围从约50克/升至约400克/升的浓度存在。在一个可选的表达中，基于活化溶液354的总体积，氯化镍浓度范围为约75克/升至约350克/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液354的总体积，氯化镍浓度范围为约100克/升至约300克/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液354的总体积，氯化镍浓度范围为约125克/升至约275克/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液354的总体积，氯化镍浓度范围为约150克/升至约250克/升。在另一个可选的表达中，基于活化溶液354的总体积，氯化镍浓度范围为约175克/升至约225克/升。
基于电解质溶液454的总体积，电解质溶液454中的盐酸可以以范围从约25毫升/升至约300毫升/升的浓度存在。在一个可选的表达中，基于电解质溶液454的总体积，盐酸浓度范围为约50毫升/升至约250毫升/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液454的总体积，盐酸浓度范围为约75毫升/升至约225毫升/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液454的总体积，盐酸浓度范围为约100毫升/升至约200毫升/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液454的总体积，盐酸浓度范围为约125毫升/升至约175毫升/升。
作为一个具体非限制性实例，电解质溶液454包括水、200克/升氯化镍(NiCl2)和150毫升/升盐酸(HCl)。
如图9所示，基底456浸入(如，完全浸入)在浴槽452中的电解质溶液454中。然后，基底456通过导线466与电流源460的第一端子462电耦合。
为了开始触击电镀，电流源460被致动，使得电流在基底456和镍阳极458之间通过，并且沉积物形成在基底456上。任选地，在开始阴极触击之前，可以执行阳极触击(基底456用作阳极)以蚀刻基底456。
可以以各种电流密度和持续时间执行阳极触击(蚀刻)而不脱离本公开的范围。在一个表达中，基于基底456的表面积，阳极触击可以以约25安培/平方英尺至约75安培/平方英尺的电流密度进行，持续时间范围为约1秒至约30秒。例如，基于基底456的表面积，阳极触击可以以约120安培/平方英尺的电流密度进行约10秒。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以以各种电流密度和持续时间执行阴极触击(触击电镀)。在一个表达中，基于基底456的表面积，阴极触击可以以约80安培/平方英尺至约160安培/平方英尺的电流密度进行，持续时间范围为约30秒至约10分钟。例如，基于基底456的表面积，阴极触击可以以约120安培/平方英尺的电流密度进行约5分钟。
一旦电流源460被停用，基底456可以与电流源460断开并从电解质溶液454中移出。然后，基底356可以用冲洗流体冲洗，例如去离子水。
电沉积
在不脱离本公开的范围的情况下，可以在图1的方法10中使用各种触击电沉积过程。然而，所公开的是一种具体的锡-铋电沉积方法，当与所公开的活化方法和所公开的镍触击电镀方法之一顺序使用时，产生优异的基底至随后的电镀结合，如图2所示。
参考图10和11，一般地指定为500的公开的电沉积方法可以在方框502(图10)处以制备包含电解质溶液554的浴槽552的步骤开始，如图11所示。浴槽552和活化溶液554，连同阳极558和电流源560，可以构成公开的电沉积系统550，其可以用于将锡-铋合金沉积到基底556上。
基底556可以是钛基底，诸如钛机械紧固件等。其他金属基底556，诸如铁基底、铜基底和镍基底(例如，Inconel)，也可以与公开的电沉积方法500和系统550一起使用而不脱离本公开的范围。
公开的电沉积系统550的阳极558可以是锡阳极(如，99.99％纯锡)或锡-铋阳极。作为一个一般实例，阳极558可包括约2重量％至约5重量％的铋，余量基本上为锡。作为一个具体实例，阳极558可包括约3重量％的铋，余量基本上为锡。
浴槽552可以是适合用于接收和包含电解质溶液554的任何容器。在组成上，形成浴槽552的材料应该与活化溶液554在化学上相容。当然，浴槽552的尺寸和形状应该设计为能够在其中接收阳极558和基底556。
电解质溶液554包括水(H2O)、溶解在水中的亚锡盐、溶解在水中的铋盐、和酸。电解质溶液554可以保持在大气压(如，1atm)下和约15℃和约50℃之间的温度(如，室温(～21℃))下。然而，考虑使用更高和更低的压力，以及更高和更低的温度，并且不会导致脱离本公开的范围。
电解质溶液554中的亚锡盐提供亚锡(锡(II)2+)离子。在一种配方中，电解质溶液554中的亚锡盐是硫酸亚锡(SnSO4)。在另一种配方中，电解质溶液554中的亚锡盐是氯化亚锡(SnCl2)。在另一种配方中，电解质溶液554中的亚锡盐是氟化亚锡(SnF2)。在又另一种配方中，电解质溶液554中的亚锡盐包括硫酸亚锡(SnSO4)、氯化亚锡(SnCl2)和氟化亚锡(SnF2)中的至少两种。
基于电解质溶液554的总体积，电解质溶液554中的亚锡盐可以以范围从约15克/升至约200克/升的浓度存在。在一个可选的表达中，基于电解质溶液554的总体积，亚锡盐浓度范围为约15克/升至约150克/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液554的总体积，亚锡盐浓度范围为约15克/升至约100克/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液554的总体积，亚锡盐浓度范围为约20克/升至约100克/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液554的总体积，亚锡盐浓度范围为约20克/升至约50克/升。在又可选的表达中，基于电解质溶液554的总体积，亚锡盐的浓度为约25克/升至约35克/升。
电解质溶液554中的铋盐提供铋(Bi3+)离子。在一种配方中，电解质溶液554中的铋盐是硫酸铋(Bi2(SO4)3)。在另一种配方中，电解质溶液554中的铋盐是氧化铋(Bi2O3)。在另一种配方中，电解质溶液554中的铋盐是硝酸铋(Bi(NO3)3)。在另一种配方中，电解质溶液554中的铋盐是氯化铋(BiCl3)。在另一种配方中，电解质溶液554中的铋盐是三氟化铋(BiF3)。在另一种配方中，电解质溶液554中的铋盐包括硫酸铋(Bi2(SO4)3)、氧化铋(Bi2O3)、硝酸铋(Bi(NO3)3)、氯化铋(BiCl3)和三氟化铋(BiF3)中的至少两种。
基于电解质溶液554的总体积，电解质溶液554中的铋盐可以以范围从约0.25克/升至约10克/升的浓度存在。在一个可选的表达中，基于电解质溶液554的总体积，铋盐的浓度范围为约0.25克/升至约5克/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液554的总体积，铋盐浓度范围为约0.25克/升至约2.5克/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液554的总体积，铋盐浓度范围为约0.25克/升至约1克/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液554的总体积，铋盐浓度范围为约0.3克/升至约0.8克/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液554的总体积，铋盐浓度范围为约0.4克/升至约4克/升。在又可选的表达中，基于电解质溶液554的总体积，铋盐浓度范围为约0.4克/升至约0.7克/升。
酸降低电解质溶液554的pH。在一种配方中，电解质溶液554中的酸是硫酸(H2SO4)。在另一种配方中，电解质溶液554中的酸是氨基磺酸(H3NSO3)。在又另一种配方中，电解质溶液554中的酸包括硫酸(H2SO4)和氨基磺酸(H3NSO3)两者。
基于电解质溶液554的总体积，电解质溶液554中的酸可以以范围从约50毫升/升至约150毫升/升的浓度存在。在一个可选的表达中，基于电解质溶液的总体积554，酸浓度范围为约60毫升/升至约140毫升/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液的总体积554，酸浓度范围为约70毫升/升至约130毫升/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液的总体积554，酸浓度范围为约75毫升/升至约125毫升/升。在另一个可选的表达中，基于电解质溶液的总体积554，酸浓度范围为约80毫升/升至约120毫升/升。在又另一个可选的表达中，基于电解质溶液的总体积554，酸浓度范围为约90毫升/升至约110毫升/升。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以在电解质溶液554中包括另外的组分。电解质溶液554中可包含各种载体和/或添加剂。作为一个具体的非限制性实例，电解质溶液554可包括TIN MAC HT STARTER A(专营表面活性剂)，其可从MacDermid of Waterbury,Connecticut商购获得。作为又另一具体的非限制性实例，电解质溶液554可包括TIN MACHT STARTER B(甲基丙烯酸的专利来源)，其可从MacDermid of Waterbury,Connecticut商业获得。作为另一个具体的非限制性实例，电解质溶液554可包括TIN MAC HT REPLENISHER(二丙二醇甲醚和表面活性剂的专营来源)，其可从MacDermid of Waterbury,Connecticut商购获得。
作为一个具体非限制性实例，电解质溶液554包括水、30克/升硫酸亚锡((SnSO4)、0.58克/升硫酸铋(Bi2(SO4)3)、105毫升/升硫酸((H2SO4)、20毫升/升TIN MAC HT STARTERA、5毫升/升TIN MAC HT STARTER B、和3毫升/升TIN MAC HT REPLENISHER。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以以各种方式制造电解质溶液554。在一个具体实施中，所公开的制造电解质溶液554的方法包括以下步骤：(1)将酸(如，66波美度硫酸)与水(如，去离子水)混合以产生酸性溶液，(2)将亚锡盐(如，硫酸亚锡(SnSO4))溶解在酸性溶液中，(3)将铋盐(例如，硫酸铋(Bi2(SO4)3))溶解在溶液中，(4)任选地添加一种或多种添加剂/载体(如，TIN MAC HT STARTER A、TIN MAC HT STARTER B和/或TIN MAC HTREPLENISHER)，和(5)如果需要，添加额外的水以补充电解质溶液554的所需总体积。
在方框504处(图10)，基底556浸入(如，完全浸入)在电解质溶液554中。导线566可以将浸入的基底556与电流源560的第一端子562电耦合。
在方框506处(图10)，阳极558浸入(如，完全浸入)在电解质溶液554中。导线568可以将浸入的阳极558与电流源560的第二端子564电耦合。
在方框508处(图10)，电流源560被致动，使得电流在基底556和阳极558之间通过。电流将使锡-铋合金沉积在基底556上。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以以各种电流密度执行通过电流的步骤(方框508)。本领域技术人员将理解，电流密度是可控参数，并且选择适当的电流密度可能需要考虑各种因素，例如通过步骤(方框508)的持续时间等因素。在一个表达中，基于基底556的表面积，在通过步骤(方框508)期间通过的电流可具有范围从约10安培/平方英尺到约80安培/平方英尺的电流密度。在另一个表达中，基于基底556的表面积，在通过步骤(方框508)期间通过的电流可以具有约10安培/平方英尺至约50安培/平方英尺的电流密度。在另一表达中，基于基底556的表面积，在通过步骤(方框508)期间通过的电流可以具有约20安培/平方英尺至约40安培/平方英尺的电流密度。在另一个表达中，基于基底556的表面积，在通过步骤(方框508)期间通过的电流可以具有约15安培/平方英尺至约30安培/平方英尺的电流密度。在又另一个表达中，基于基底556的表面积，在通过步骤(方框508)期间通过的电流可以具有约30安培/平方英尺的电流密度。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以执行通过电流的步骤(方框508)不同的持续时间。本领域技术人员将理解，电流持续时间是可控参数，并且选择适当的持续时间可能需要考虑各种因素，诸如电流密度等因素。在一个表达中，通过步骤(方框508)可以进行约5分钟至约120分钟。在另一个表达中，通过步骤(方框508)可以进行约5分钟至约60分钟。在另一个表达中，通过步骤(方框508)可以进行约10分钟至约30分钟。在另一个表达中，通过步骤(方框508)可以进行约10分钟至约20分钟。在又另一个表达中，通过步骤(方框508)可以进行约15分钟。
在方框510处(图10)，基底556与电流源560断开并从电解质溶液554移出。
在方框512处(图10)，基底556可以用冲洗流体冲洗。作为实例，冲洗流体可以是水，诸如去离子水。
可以在如图12中所示的飞机制造和使用方法1000以及如图13中所示的飞机1002的背景下描述本公开的实例。在生产前期间，飞机制造和使用方法1000可以包括飞机1002的规格和设计1004和材料采购1006。在生产期间，可以进行飞机1002的零件/子组件制造1008和系统集成1010。其后，飞机1002可以通过认证和交付1012，从而被投入使用1014。在由客户使用的同时，飞机1002可被安排进行日常维护和保养1016，其可以包括改进、重构、修整等等。
可以通过系统集成商、第三方和/或经营者(如，客户)执行或进行方法1000的每一步过程。为了该描述的目的，系统集成商可以非限制性地包括任意数目的飞行器制造商和主系统次承包商；第三方可以非限制性地包括任意数目的出售商、次承包商和供应商；和经营者可以为航空公司、租赁公司、军事实体、服务机构等等。
如图13所示，由实例方法1000生产的飞机1002可以包括具有多个系统1020的机身1118和内部1022。多个系统1020的实例包括推进系统1024、电气系统1026、液压系统1028和环境系统1030中的一个或多个。可以包括任意数目的其他系统。
所公开的组合物和方法可以在飞机制造和使用方法1000的任何一个或多个阶段期间使用。作为一个实例，对应于零件/子组件制造1008的零件或子组件、系统集成1010和/或维护和保养1016可以使用所公开的组合物和方法制造或制作。作为另一个实例，可以使用所公开的组合物和方法构造机身1018。而且，在零件/子组件制造1008和/或系统集成1010期间可以使用一个或多个装置实例、方法实例或其组合，例如，通过基本上加速飞机1002的组装或降低飞机1002的成本，诸如机身1018和/或内部1022。类似地，当飞机1002在使用中时，可以使用系统实例、方法实例或其组合中的一个或多个，例如但不限于维护和保养1016。
进一步，本公开包括根据下面条款的实例：
条款1.一种活化溶液，其包括水；氟化物盐；氢氟酸；和硫酸。
条款2.根据条款1的活化溶液，其中氟化物盐包括碱金属阳离子和碱土金属阳离子中的至少一种。
条款3.根据条款1或2的活化溶液，其中氟化物盐包括氟化钾、氟化锂、氟化钠、氟化铷、氟化钡和氟化锶中的至少一种。
条款4.根据条款1-3中任一项的活化溶液，其中氟化物盐是氟化钾。
条款5.根据条款1-4中任一项的活化溶液，其中基于活化溶液的总体积，氟化物盐以范围从约5克/升至约120克/升的浓度存在。
条款6.根据条款1-5中任一项的活化溶液，其中基于活化溶液的总体积，氟化物盐以范围从约10克/升至约100克/升的浓度存在。
条款7.根据条款1-6中任一项的活化溶液，其中基于活化溶液的总体积，氟化物盐以约20克/升的浓度存在。
条款8.根据条款1-7中任一项的活化溶液，其中基于活化溶液的总体积，氢氟酸以范围从约5毫升/升至约250毫升/升的浓度存在。
条款9.根据条款1-7中任一项的活化溶液，其中基于活化溶液的总体积，氢氟酸以范围从约20毫升/升至约150毫升/升的浓度存在。
条款10.根据条款1-9中任一项的活化溶液，其中基于活化溶液的总体积，硫酸以范围从约1体积％至约45体积％的浓度存在。
条款11.根据条款1-9中任一项的活化溶液，其中基于活化溶液的总体积，硫酸以范围从约2体积％至约20体积％的浓度存在。
条款12.根据条款1-11中任一项的活化溶液，其保持在大气压下和约15℃和约50℃之间的温度下。
条款13.一种制造根据条款1的活化溶液的方法，方法包括：将硫酸与至少一部分水混合以产生第一酸性溶液；将氢氟酸与第一酸性溶液混合以产生第二酸性溶液；和将氟化物盐溶解在第二酸性溶液中。
条款14.一种在基底上沉积材料之前预处理基底的方法，方法包括：将基底浸入在根据1条款的活化溶液中持续预定的时间段。
条款15.根据条款14的方法，其中基底是钛基底。
条款16.根据条款15的方法，其中预定的时间段是约5秒和约120秒之间的时间。
条款17.根据条款14-16中任一项的方法，其中基底是钛基底，并且其中预定的时间段是约20秒和约40秒之间的时间。
条款18.根据条款14-17中任一项的方法，进一步包括在经过预定的时间段后从活化溶液移出基底；和在移出后，用冲洗流体冲洗基底。
条款19.根据条款18的方法，其中冲洗流体是去离子水。
条款20.根据权利要求14-19中任一项的方法，进一步包括：在浸入后，使基底经历阳极硫酸方法。
所公开的组合物和方法在飞机的背景下描述；然而，本领域普通技术人员将容易认识到，所公开的组合物和方法可用于各种应用。例如，所公开的组合物和方法可以在各种类型的运载工具中实施，包括例如直升机、客船、汽车、海上产品(船、马达等)等。
尽管已经示出和描述了所公开的用于活化金属基底的组合物和方法的各个方面，但是本领域技术人员在阅读说明书后可以进行修改。本申请包括这些修改，并且仅受权利要求的范围限制。

Claims (14)

1.一种活化溶液，其包括：
水；
氟化物盐；
氢氟酸；和
硫酸。
2.根据权利要求1所述的活化溶液，其中所述氟化物盐包括碱金属阳离子和碱土金属阳离子中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的活化溶液，其中所述氟化物盐包括氟化钾、氟化锂、氟化钠、氟化铷、氟化钡和氟化锶中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的活化溶液，其中基于所述活化溶液的总体积，所述氟化物盐以范围从约5克/升至约120克/升的浓度存在。
5.根据权利要求1所述的活化溶液，其中基于所述活化溶液的总体积，所述氢氟酸以范围从约5毫升/升至约250毫升/升的浓度存在。
6.根据权利要求1所述的活化溶液，其中基于所述活化溶液的总体积，所述硫酸以范围从约1体积％至约45体积％的浓度存在。
7.根据权利要求1所述的活化溶液，其保持在大气压下和从约15℃至约50℃的温度范围下。
8.一种制造根据权利要求1所述的活化溶液的方法，所述方法包括：
将硫酸与至少一部分水混合以产生第一酸性溶液；
将氢氟酸与所述第一酸性溶液混合以产生第二酸性溶液；和
将氟化物盐溶解在所述第二酸性溶液中。
9.一种在基底上沉积材料之前预处理所述基底的方法，所述方法包括：
将所述基底浸入在根据权利要求1所述的活化溶液中持续预定的时间段，其中所述基底是钛基底。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述预定的时间段是约5秒和约120秒之间的时间。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述基底是钛基底，并且其中所述预定的时间段是约20秒和约40秒之间的时间。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
在经过所述预定的时间段后从所述活化溶液移出所述基底；和
在移出后，用冲洗流体冲洗所述基底。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述冲洗流体是去离子水。
14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
在浸入后，使所述基底经历阳极硫酸方法。
CN201910653583.0A 2018-07-25 2019-07-19 用于活化钛基底的组合物和方法 Pending CN110777409A (zh)

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