Ti55531鈦合金化學鍍鎳工藝研究

袁向儒,李 博,楊夏葦

(中航飛機起落架有限責任公司,陜西 漢中 723200)

國內外在鈦合金表面已開展了多種涂層制備及表面改性研究,但是每一種鈦合金具有自己的特性,在一種牌號上適用的表面處理方法在另一種牌號上不一定適用。因此,有必要對新材料鈦合金繼續進行深入研究。Ti55531是一種新興的近β型超高強度鈦合金,其名義成分為Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr。該合金擁有良好的淬透性和較寬的加工工藝范圍,特別適合制造必須承受巨大應力的零部件,比較適合用于結構件和起落架、機翼、發動機掛架之間連接裝置等,在航空航天工業中日益受到青睞[1-2]。為了進一步提高鈦合金的應用范圍及使用壽命,常需要對鈦合金進行表面處理,如鍍鉻、化學鍍鎳、功能轉化膜等,其中在鈦基表面化學鍍鎳,還能賦予鈦基表面特殊的物化性能[3-4],比如提高鈦基硬度、耐磨性等。

化學鍍鎳工藝由于深鍍能力好,鍍層具有均勻、孔隙率低、硬度高、可焊性好、化學穩定性高的特點,目前已廣泛應用于化工、電子、汽車、機械、日用五金、精密儀器、航空航天等工業部門[5-6]?；瘜W鍍鎳工藝發展到今天,已經研究并開發出了幾十種不同工藝,但鍍膜沉積原理是相同的,即在鍍件表面發生異相自催化還原沉積反應。對鋼鐵、鎳、鈷等金屬材料一般可直接進行化學鍍鎳,而對鈦合金材料則必須進行特殊的前處理才能沉積上合格的鎳層,保證功能的實現。為了滿足某型號需求,中航飛機起落架有限責任公司開展了化學鍍鎳替代鍍硬鉻工藝研究并編制企業標準,擬用于產品加工。

1 工藝試驗

1.1 試樣

結合力、硬度及磷含量試樣材料為國產Ti55531鈦合金,符合Q/1SM 1004—2020標準,規格為100 mm×25 mm×(1～2) mm;耐蝕性試樣材料為30CrMnSiA,符合GJB 1951—1994標準,規格為100 mm×150 mm×(1～2) mm。所有試樣表面粗糙度Ra≤0.8 μm,除硬度試樣鍍層厚度為25～35 μm外,其余試樣鍍層厚度為9～15 μm。工藝試驗的目的是通過檢驗試樣鍍層性能,進一步驗證工藝設計的合理性及工藝參數的正確性。

1.2 試驗儀器

粗糙度測量采用MarSurf SD26粗糙度儀,硬度檢測采用HMV-G-FA-D型顯微維氏硬度計,采用Leco ONH836分析儀檢測氫化前、后基體的氫含量,鍍層顯微形貌使用奧林巴斯BX41M顯微鏡觀察,并用X射線熒光光譜儀X-Strata980檢測各元素的含量,耐蝕性采用CCT型Q-FOG循環腐蝕試驗箱進行鹽霧試驗。

1.3 工藝流程及工序說明

1.3.1 工藝流程

工藝流程如下:鍍前驗收→有機溶劑除油→水洗→吹砂→裝掛和保護→化學除油→水洗→前處理→水洗→化學鍍鎳→水洗→干燥→熱處理→拆卸→檢驗。

前處理的作用是去除鈦合金基體表面鈍化膜,抑制新鈍化膜的生成,確保在活化的鈦合金表面鍍覆[7]。熱處理是利用金屬鍍層在高溫條件下會通過擴散與基體形成牢固的金屬鍵的特性來增強鍍層結合力[8]。參照HB/Z 5071《化學鍍鎳工藝及質量檢驗》,本研究前處理采用“活化”“氫化”或“活化+氫化”等3種方式分別進行驗證,以確定最佳工藝流程。

1.3.2 工序說明

工序說明如下。

1)鍍前驗收。零件的表面性能應符合HB 5034《零(組)件鍍覆前質量要求》的規定。

2)有機溶劑除油。采用無氯的有機溶劑對鈦及鈦合金零件除油。

3)水洗。先在40～60 ℃的溫水中清洗,然后用流動水沖洗,清洗后零件表面應完全被水浸潤,即在30 s內有連續的水膜。

4)吹砂。在0.4～0.5 MPa的風壓下,用直徑為250～325 μm(45～60目)的氧化鋁吹砂,不允許砂滯留在任何部位。吹砂應均勻,整個吹砂表面應為無光澤色調;禁止赤手接觸吹砂后的表面;零件吹砂后,用干燥潔凈的壓縮空氣吹凈砂粒,為了完全去除砂粒,零件在水中用毛刷徹底刷凈。研究表明,控制鈦合金材料吹砂后的表面粗糙度Ra為0.2～0.4 μm,有利于提高鍍層結合力[9]。

5)裝掛和保護。采用膠帶等保護材料對零件不需要鍍鎳的表面進行屏蔽保護;零件裝掛時應防止產生“氣袋”并便于瀝液。

6)化學除油。溶液組成為氫氧化鈉60～80 g/L,碳酸鈉30～50 g/L,磷酸鈉30～50 g/L,硅酸鈉10～30 g/L,溫度75～95 ℃。

7)活化。溶液組成為40～50 mL/L鹽酸(HCl,ρ=1.19 g/mL)和25～30 mL/L氫氟酸(HF,40%),室溫下活化30～45 s。試驗時去除量測試數據見表1。結果表明,符合工藝要求的去除量2～3 μm。

8)氫化。溶液組成為650 mL硫酸(H2SO4,ρ=1.84 g/mL),350 mL鹽酸(HCl,ρ=1.19 g/mL),室溫下活化60～90 min,1 L溶液處理鈦合金鍍件的最大面積為5 dm2。

9)化學鍍鎳。溶液組成為硫酸鎳(NiSO4·7H2O)20～35 g/L,次磷酸鈉(NaH2PO2·H2O)8～12 g/L,乙酸鈉(CH3COONa)8～12 g/L,碘化鉀(KI)0.08～0.1 g/L,順丁烯二酸酐1.5～2.0 g/L,pH值為4.5～5.0,溫度為85～95 ℃。注:鈦合金在化學鍍鎳時,應用鐵絲或鋁絲觸碰一下零件(試樣),否則難以反應。

10)干燥。用壓縮空氣吹干或在不高于70 ℃的溫度下烘干。

11)熱處理。鈦及鈦合金零件在真空爐(殘余壓力不超過0.133 Pa)中或空氣爐中于300～350 ℃下進行1～2 h的熱處理,零件隨爐加熱和冷卻。

12)拆卸。拆除工裝及保護膠帶等。拆卸時,嚴禁赤手拿取零件,應佩戴潔凈的手套;拆卸過程中應避免磕、劃、碰傷,嚴禁零件疊放、碰撞。

13)檢驗?；瘜W鍍鎳層應為稍帶淺黃色的銀白色或帶黃色色彩的鋼灰色,拋光后為光澤的鋼灰色;化學鍍鎳層結晶應細致、均勻。

1.4 檢測要求

檢測要求如下。

1)結合力。將被檢驗的零件或試樣沿一個直徑等于零件或試樣厚度的軸,反復彎曲180°,直至基體金屬斷裂,目視或在5倍放大鏡下檢查斷口,若基體金屬與鍍層發生龜裂,但并不起皮或脫落,則結合力合格。

2)顯微硬度。鍍層厚度應≥25 μm,按照GB/T 4342—1991《金屬顯微維氏硬度試驗方法》,試驗載荷為50 g,載荷保持時間為10～15 s。測試鍍層截面上均勻分布的5個以上點,顯微硬度≥580 HV0.05為合格。

3)磷含量。鍍層磷含量為5%～12%(質量分數)。

4)耐蝕性。HB/Z 5071—2004規定,對鋼鐵零件化學鍍鎳應定期按GB/T 10125進行48 h中性鹽霧試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 結合力

前處理采用“活化”處理后,電鍍的試樣進行彎曲試驗時,出現了鎳層脫落現象,排除了這種方式;前處理采用“氫化”或“活化+氫化”等2種方式所得試樣進行彎曲試驗時,化學鍍鎳層均未出現起皮和脫落現象,結合力合格。化學鍍鎳層外觀及結合力試驗如圖1所示。

a) 化學鍍鎳層外觀

b) 彎曲試驗后外觀

2.2 硬度

采用“氫化”的前處理方式所得試樣化學鍍鎳層平均顯微硬度為632.1 HV0.05;采用“活化+氫化”的前處理方式所得試樣化學鍍鎳層平均顯微硬度為614 HV0.05,均符合本公司企業標準要求的580～650 HV0.05。

2.3 磷含量

標準HB/Z 5071—2004中未對鍍層“磷含量”提出明確的檢測要求,但基于考察新工藝性能考慮,本研究參考其他單位的研究成果[10],增加了鍍層磷含量的檢測要求。表2為不同前處理試樣化學鍍鎳層磷含量的測試值,均符合本公司企業標準5%～12%(質量分數)的要求。

表2 不同前處理化學鍍鎳層磷含量測試值

2.4 耐蝕性

Ti55531鈦合金中鐵元素含量僅為0.2%～0.5%,在中性鹽霧中觀察不到銹蝕現象。因此,Ti55531鈦合金化學鍍鎳工藝一般不要求通過中性鹽霧試驗進行耐蝕性檢查。但本研究為了驗證化學鍍鎳溶液的性能,選用30CrMnSiA鋼試樣6件,2件為1組,分3個不同的時間段進行化學鍍鎳,并按標準GB/T 10125進行中性鹽霧試驗,3組試樣出現銹蝕的時間分別為76、84和96 h,均大于48 h。其中通過了96 h鹽霧試驗的那組試樣試驗前、后外觀如圖2所示。

a) 試驗前

b) 試驗后

對于Ti55531鈦合金化學鍍鎳,本研究按標準GB/T 10125進行了360 h中性鹽霧試驗,主要考核化學鍍鎳層在中性鹽霧中的耐受性,試驗結果表明,試驗前、后試樣質量未發生明顯變化。試驗前、后試樣外觀如圖3所示。

a) 試驗前

a) 試驗前 b) 試驗后

2.5 活化

室溫下,活化30～50 s。試驗測試不同活化時間對應的去除量見表3,結果符合工藝要求的去除量2.0～3.0 μm。

表3 不同活化時間對應的去除量

2.6 氫化

采用Ti55531和TC18材料試樣,氫化處理不同時間后測試增氫量(見表4)。試驗表明,氫化后試樣表面局部發黑(光亮區+發黑區)(見圖4),并且隨著氫化時間的延長,表面顏色逐漸加深。分析認為,這可能是由于被氫化溶液腐蝕晶界、相界顯現數量或深度增加所致[11]。對光亮區和發黑區進行了能譜分析,表明發黑區與光亮區的元素含量基本相同,說明兩個區域無明顯的成分差異。由表4可知,Ti55531和TC18鈦合金氫化后,氫含量都未超過0.012 5%,滿足增氫量未超過0.005%的技術要求?？梢钥闯?增氫量隨氫化時間的延長而增大,但氫化時間大于80 min,增氫量變化不明顯。

表4 不同鈦合金相同活化時間下氫含量測試值

圖4 氫化后試樣外觀

2.7 熱處理

鈦合金零件或試樣在真空爐(殘余壓力不超過0.133 Pa)中或空氣爐中于300～350 ℃下進行1～2 h的熱處理,隨爐加熱和冷卻。本研究采用空氣爐熱處理,試樣熱處理前后外觀、顏色未見明顯變化。同時使用奧林巴斯BX41M顯微鏡觀察鈦合金試樣熱處理前、后微觀形貌(見圖5),未發現有明顯的金屬層擴散現象(見圖6)。

a) 熱處理前

b) 熱處理后

圖6 熱處理后鎳層擴散形貌

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)Ti55531鈦合金化學鍍鎳優選工藝流程:鍍前驗收→有機溶劑除油→水洗→吹砂→裝掛和保護→化學除油→水洗→氫化→水洗→化學鍍鎳→水洗→干燥→熱處理→拆卸。

2)化學鍍鎳層為稍帶淺黃色的銀白色或帶黃色色彩的鋼灰色,拋光后為光澤的鋼灰色;化學鍍鎳層結晶應細致、均勻。

3)Ti55531鈦合金化學鍍鎳層磷含量為5%～12%(質量分數),符合企業標準要求。

4)化學鍍鎳層硬度為580～650 HV0.05,接近硬鉻層,可代替鍍硬鉻層用于形狀復雜、不易或不能鍍鉻,但有較高耐磨要求的零件的表面防護。