趙立才*，高晶，沙春鵬

（中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

鈦及鈦合金質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、力學(xué)性能好、耐蝕性優(yōu)、耐低溫性能突出、無(wú)磁性、易彎曲，在航空航天、石油、電力、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但鈦合金本身存在硬度低，耐磨性差，易粘著，對(duì)粘著磨損和微動(dòng)磨損敏感，導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能差等缺陷，限制了其進(jìn)一步在工程中的應(yīng)用[1-3]。

為使鈦及鈦合金在航空航天乃至其他領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，須對(duì)其進(jìn)行表面處理，在其表面鍍覆涂層來(lái)提高硬度，改善其耐磨性能。目前改善鈦及鈦合金表面性能的方法有電鍍、化學(xué)鍍、陽(yáng)極氧化、微弧氧化、離子注入、熱氧化、激光熔覆和化學(xué)/物理氣相沉積等[4-7]。其中電鍍硬鉻工藝在槽液穩(wěn)定性、易維護(hù)性和鍍層性能方面具有較好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[8-9]，尤其是硬鉻鍍層的表面硬度和耐磨性能更是讓采用其他改性方法獲得的膜層難以與之相媲美。但由于鈦合金本身電極電位低，極易氧化生成致密的氧化膜，表面清洗后與空氣接觸又重新生成氧化膜，給施鍍帶來(lái)困難，施鍍后的膜層結(jié)合力差。為此，本文經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)和工程實(shí)踐研究，在經(jīng)活化和氫化處理的鈦合金基材上鍍?nèi)榘足t作為中間過(guò)渡層，并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚蟠筇岣吡酥虚g層與鈦合金基體的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而提高了中間層表面硬鉻鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，從而獲得可提高鈦合金表面硬度和耐磨性能的新工藝。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用退火TC2 鈦合金為基材，尺寸為12 mm×30 mm和14 mm×20 mm(后者用于結(jié)合力測(cè)試)，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：Al 3.5%～5.0%，Mn 0.8%～2.0%，Ti 余量。

1.2 主要工序及配方

噴砂─裝掛─除油─水洗─活化─水洗─氫化─水洗─鍍?nèi)榘足t─水洗─卸掛─真空熱擴(kuò)散退火─噴砂─乳白鉻層活化─鍍硬鉻─水洗─烘干。

1.2.1 噴砂處理

噴砂處理可去除鈦合金表面的氧化層，降低零件表面的光潔度，提高其表面粗糙度以及鍍層與基材之間的結(jié)合力。噴砂處理采用液體噴砂方式，壓力為0.3～0.5 MPa，石英砂顆粒尺寸不大于0.3 mm，噴嘴與零件表面的距離為150～250 mm，噴砂處理后零件表面呈灰色、無(wú)光澤色調(diào)。

1.2.2 除油

1.2.3 活化

噴砂處理后的新鮮鈦合金基體經(jīng)除油后又重新生成氧化膜，通過(guò)活化可去除表面生成的氧化膜，使基體表面產(chǎn)生一層臨時(shí)性的鈦氟薄膜，能有效阻止鈦合金的進(jìn)一步氧化，配方及工藝條件如下：

1.2.4 氫化

零件在氫化處理過(guò)程中，表面從灰色轉(zhuǎn)至黑色，氫化處理后的零件應(yīng)立即鍍?nèi)榘足t，以防裸露的新鮮基材表面發(fā)生氧化，配方及工藝條件如下：

1.2.5 鍍?nèi)榘足t

零件在鍍鉻槽不通電的情況下預(yù)熱2～5 min，先采用高沖擊電流100～150 A/dm2施鍍1～2 min，再將電流降至30～40 A/dm2施鍍1 h，得到厚度為5～15 μm的乳白鉻鍍層，配方及工藝條件如下：

1.2.6 真空熱擴(kuò)散退火

對(duì)鍍?nèi)榘足t層的試樣進(jìn)行真空熱擴(kuò)散退火處理，可提高中間鍍層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而提高硬鉻層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。退火過(guò)程的真空度為6.66×10?1～6.66×10?2Pa，先280～300°C 退火1 h，再750～770°C 退火1 h，隨爐冷卻至200～250°C 后再取出，最后空冷至室溫。

1.2.7 乳白鉻層的活化

乳白鉻鍍層活化是為了在其表面鍍硬鉻，在鍍硬鉻槽中進(jìn)行。將零件置于槽中預(yù)熱至50～60°C，在不通電的情況下保持3～5 min 后，施加30～40 A/dm2的電流密度活化20～60 s。

1.2.8 鍍硬鉻

零件活化后留在鍍槽中直接鍍硬鉻。初始的3～5 min 內(nèi)，設(shè)定電流密度為5～10 A/dm2，隨后逐步提高電流密度至額定值。鍍鉻過(guò)程中，溫度波動(dòng)應(yīng)保持在±2°C。當(dāng)溫度為55°C、電流密度為50 A/dm2時(shí)，鉻的沉積速率為30 μm/h。鍍鉻時(shí)間根據(jù)要求的鍍層厚度而定，具體配方和工藝為：

2 鍍層性能檢測(cè)

2.1 結(jié)合力

結(jié)合力測(cè)試按HB 5041–1992《硬鉻、乳白鉻鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)》中的磨削法，設(shè)備為M1432B×1500 萬(wàn)能外圓磨床，磨削材料為80 目的白剛玉砂輪，轉(zhuǎn)速2 500 r/min，磨削量0.01～0.05 mm。測(cè)試結(jié)果如圖1 所示，鍍層不脫落、不起泡。

圖1 磨削測(cè)試后鍍鉻鈦合金零件的照片F(xiàn)igure 1 Photo of chromium-plated titanium alloy after grinding test

2.2 硬度

硬度測(cè)試按GB/T 9790–1988《金屬覆蓋層及其他有關(guān)覆蓋層 維氏和努氏顯微硬度試驗(yàn)》進(jìn)行，設(shè)備為T(mén)ukon 2500 型全自動(dòng)維氏硬度計(jì)，采用經(jīng)磨削測(cè)試的試樣，鉻鍍層厚度為40～60 μm，載荷為0.981 N，壓頭進(jìn)給速率為15～70 μm/s，保持時(shí)間10～15 s，鍍層維氏硬度可達(dá)750 HV，甚至更高。

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)鈦合金進(jìn)行活化和氫化處理后，再鍍覆乳白鉻中間層，并對(duì)乳白鉻中間層進(jìn)行熱處理，進(jìn)一步提高了后續(xù)鍍硬鉻層的結(jié)合強(qiáng)度。

采用本工藝可在鈦合金表面獲得結(jié)合力良好的硬鉻鍍層，克服了鈦合金表面改性難的缺陷，使鈦合金表面的硬度和耐磨性能提高，進(jìn)而拓寬了鈦合金在航空領(lǐng)域的使用。目前本工藝已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某型號(hào)先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)，并已批產(chǎn)化。

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