趙立才*，高晶，沙春鵬

（中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

鈦及鈦合金質量輕、比強度高、力學性能好、耐蝕性優(yōu)、耐低溫性能突出、無磁性、易彎曲，在航空航天、石油、電力、生物醫(yī)藥等領域得到了廣泛應用。但鈦合金本身存在硬度低，耐磨性差，易粘著，對粘著磨損和微動磨損敏感，導熱和導電性能差等缺陷，限制了其進一步在工程中的應用[1-3]。

為使鈦及鈦合金在航空航天乃至其他領域發(fā)揮更大的作用，須對其進行表面處理，在其表面鍍覆涂層來提高硬度，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、化學鍍、陽極氧化、微弧氧化、離子注入、熱氧化、激光熔覆和化學/物理氣相沉積等[4-7]。其中電鍍硬鉻工藝在槽液穩(wěn)定性、易維護性和鍍層性能方面具有較好的競爭優(yōu)勢[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，給施鍍帶來困難，施鍍后的膜層結合力差。為此，本文經過多次反復試驗和工程實踐研究，在經活化和氫化處理的鈦合金基材上鍍乳白鉻作為中間過渡層，并對其進行適當的熱處理，大大提高了中間層與鈦合金基體的結合強度，進而提高了中間層表面硬鉻鍍層的結合強度，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

1.1 試驗材料

采用退火TC2 鈦合金為基材，尺寸為12 mm×30 mm和14 mm×20 mm(后者用于結合力測試)，其主要化學成分(質量分數)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─鍍乳白鉻─水洗─卸掛─真空熱擴散退火─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、無光澤色調。

1.2.2 除油

1.2.3 活化

噴砂處理后的新鮮鈦合金基體經除油后又重新生成氧化膜，通過活化可去除表面生成的氧化膜，使基體表面產生一層臨時性的鈦氟薄膜，能有效阻止鈦合金的進一步氧化，配方及工藝條件如下：

1.2.4 氫化

零件在氫化處理過程中，表面從灰色轉至黑色，氫化處理后的零件應立即鍍乳白鉻，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 鍍乳白鉻

零件在鍍鉻槽不通電的情況下預熱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 真空熱擴散退火

對鍍乳白鉻層的試樣進行真空熱擴散退火處理，可提高中間鍍層與基體之間的結合強度，進而提高硬鉻層與基體之間的結合強度。退火過程的真空度為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，在鍍硬鉻槽中進行。將零件置于槽中預熱至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，設定電流密度為5～10 A/dm2，隨后逐步提高電流密度至額定值。鍍鉻過程中，溫度波動應保持在±2°C。當溫度為55°C、電流密度為50 A/dm2時，鉻的沉積速率為30 μm/h。鍍鉻時間根據要求的鍍層厚度而定，具體配方和工藝為：

2 鍍層性能檢測

2.1 結合力

結合力測試按HB 5041–1992《硬鉻、乳白鉻鍍層質量檢驗》中的磨削法，設備為M1432B×1500 萬能外圓磨床，磨削材料為80 目的白剛玉砂輪，轉速2 500 r/min，磨削量0.01～0.05 mm。測試結果如圖1 所示，鍍層不脫落、不起泡。

圖1 磨削測試后鍍鉻鈦合金零件的照片Figure 1 Photo of chromium-plated titanium alloy after grinding test

2.2 硬度

硬度測試按GB/T 9790–1988《金屬覆蓋層及其他有關覆蓋層 維氏和努氏顯微硬度試驗》進行，設備為Tukon 2500 型全自動維氏硬度計，采用經磨削測試的試樣，鉻鍍層厚度為40～60 μm，載荷為0.981 N，壓頭進給速率為15～70 μm/s，保持時間10～15 s，鍍層維氏硬度可達750 HV，甚至更高。

3 結語

在對鈦合金進行活化和氫化處理后，再鍍覆乳白鉻中間層，并對乳白鉻中間層進行熱處理，進一步提高了后續(xù)鍍硬鉻層的結合強度。

采用本工藝可在鈦合金表面獲得結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，進而拓寬了鈦合金在航空領域的使用。目前本工藝已成功應用于國內某型號先進戰(zhàn)機，并已批產化。

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