航空發(fā)動機鈦合金表面化學(xué)鍍鎳預(yù)處理及鍍層性能

吳海平 ，況僑，李軍，滕官宏偉

（1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002；2.陸裝駐株洲地區(qū)航空軍事代表室，湖南 株洲 412002）

鈦合金與傳統(tǒng)的鋁合金或鋼鐵材料相比，屬于新型材料，因質(zhì)輕、比強度高等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用，在航空航天領(lǐng)域被稱為“太空金屬”。Ti6Al4V(TC4)是最早開發(fā)的鈦合金，到現(xiàn)在仍是航空航天應(yīng)用的主體材料[1]。雖然鈦合金性能優(yōu)異，但是還存在表面易氧化、耐磨性較差等一些問題，在特殊條件下使用受到限制。

鈦合金在飛機發(fā)動機及其殼體上的應(yīng)用逐漸增多，但硬度低、耐磨性差、在還原性介質(zhì)中耐蝕性差等缺點限制了其作為航空工業(yè)中重要結(jié)構(gòu)金屬的進一步應(yīng)用，也成為了發(fā)展全鈦飛機的瓶頸[2]。本課題以TC4鈦合金為研究對象，通過合理的工藝實驗在鈦合金表面成功制備出結(jié)合力良好的Ni–P層，提高了鈦合金的耐磨性，并對鍍層的生長機理和耐磨機理，以及復(fù)合粒子的沉積機理進行研究，建立了施鍍工藝──鍍層結(jié)構(gòu)──耐磨性能之間的關(guān)系[3]?；瘜W(xué)鍍Ni–P具有成本低、操作方便、掌握容易、無污染，深鍍能力強，不受工件形狀限制，鍍層均勻致密、孔隙率低、耐蝕性強、耐磨性好等優(yōu)點。鑒于化學(xué)鍍Ni–P層硬度高，耐磨性可與硬鉻層相媲美[4]，飛機發(fā)動機有許多鈦合金零部件采用了化學(xué)鍍鎳處理，顯著提高了其耐磨性，也延長了使用壽命，減少了零件報廢的數(shù)量。這都是其他表面改性技術(shù)無法比擬和代替的[5]。

1 實驗

1.1 主要材料

磷酸鈉、氟化鈉、磷酸、磷酸二氫鉀、烏洛托品、硝酸，均為市售分析純。

采用經(jīng)退火的TC4鈦合金板(50 mm × 50 mm × 5 mm)作為研究對象。

1.2 主要設(shè)備

DK-S12恒溫水浴鍋(上海森信實驗儀器有限公司)，CFT-I材料表面性能綜合測試儀(上海森信實驗儀器有限公司)，BS124S電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)，401MVD數(shù)顯顯微維氏硬度計(沃伯特測量儀器有限公司)，CLS-136電熱烘烤箱(華東標(biāo)準(zhǔn)烘箱有限公司)，WS-2005涂層附著力自動劃痕儀(蘭州中科有限公司)。

1.3 工藝

工藝流程為：打磨→除油→水洗→酸洗→水洗→活化→水洗→預(yù)處理→水洗→吹干→稱重→化學(xué)鍍鎳→水洗→吹干→稱重→測試。其中預(yù)處理有以下4種：

(1) 化學(xué)轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化液的主要成分為磷酸鈉、氟化鈉和酸度調(diào)節(jié)劑，其pH為5.0，室溫操作，時間8 min。

(2) 磷化。磷化液的主要成分有磷酸、磷酸二氫鉀、烏洛托品和硝酸。室溫(20 °C)操作，時間75 s。

(3) 預(yù)鍍。酸蝕出光后通過化學(xué)鍍的方式預(yù)鍍一層鎳磷合金，可以提高鍍層結(jié)合力和耐蝕性，簡化工序，改善生產(chǎn)環(huán)境。化學(xué)鍍與預(yù)鍍?nèi)芤撼煞忠恢?，主要含有硫酸鎳、次磷酸鈉、檸檬酸、乳酸和硫脲。其操作溫度為 85 °C，pH 9.0 ~ 9.5，時間 3 ~ 5 min。

(4) 微弧氧化。采用直流疊加脈沖的方式，脈沖電流600 Hz，平均電流密度0.8 A/dm2，時間5 min。微弧氧化溶液中含有硅酸鈉、磷酸鈉、氟化鉀和氫氧化鈉，槽液溫度低于85 °C，采用循環(huán)冷卻水對槽液進行冷卻。

1.4 鍍層性能的表征方法

1.4.1 摩擦學(xué)性能

采用蘭州中科有限公司生產(chǎn)的CFT-I材料表面性能綜合測試儀對鍍層與基體的摩擦學(xué)性能進行測試。設(shè)定加載速率100 N/min、試驗時間10 min、運行長度10 mm、旋轉(zhuǎn)半徑3 mm、掃描長度8 mm。在鍍好的試樣表面取一個位置進行檢測，測量其摩擦因數(shù)。

1.4.2 結(jié)合力

采用蘭州中科有限公司生產(chǎn)的 WS-2005涂層附著力自動劃痕儀對鍍層的結(jié)合力進行測量，聲發(fā)射模式，施加動載荷，通過聲發(fā)射信號與載荷的對應(yīng)曲線來獲得鍍層破壞瞬間的臨界載荷作為其結(jié)合力，設(shè)定加載速率40 N/min、劃痕速率40 mm/min、劃痕長度3 mm，往復(fù)次數(shù)為1。在鍍好的試樣表面取2個位置進行檢測。

1.4.3 沉積速率

鎳層的沉積速率(ν)采用增重法測量，用電子天平準(zhǔn)確稱量試樣在施鍍前后的質(zhì)量，按式(1)計算。

式中m1為試片鍍前質(zhì)量，m2為試片鍍后質(zhì)量，A為試片面積，ρ為鍍層密度(取7.9 g/cm3)，t為施鍍時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同預(yù)處理工藝的鍍層沉積速率及表面形貌

由表1可知，4種預(yù)處理工藝下有3種得到了光亮、結(jié)合力良好的鍍層，只有微弧氧化得到的鍍層不光亮。沉積速率從高到低依次為化學(xué)轉(zhuǎn)化、微弧氧化、預(yù)鍍、磷化。

表1 不同預(yù)處理的結(jié)果Table 1 Results of different pretreatments

鍍層表面拍照結(jié)果見圖1。微弧氧化看上去表面晶粒細(xì)小、密集，但并不是很均勻，從3D圖可以看出其表面光滑；磷化看上去表面晶粒密集，分布均勻，3D圖中也顯示表面沒有什么凹坑，但是表面不是一粒一粒的，而是連成一個平面；化學(xué)轉(zhuǎn)化晶粒較大，分布均勻，像是一粒一粒的，看上去也比較光滑，但是從 3D圖中可以發(fā)現(xiàn)其表面不是一粒一粒的，是凹坑；預(yù)鍍表面晶粒細(xì)小、分布均勻，看上去不怎么光滑，但是從3D圖中看出其表面還是相對平滑的。

圖1 不同預(yù)處理后鍍層表面的微觀形貌Figure 1 Microscopic morphologies of surfaces of the coatings prepared after different pretreatments

2.2 不同預(yù)處理工藝的鍍層結(jié)合力

由圖2和圖3可以看出，微弧氧化表面可能有局部沒有鍍上，也可能是因為沒有活化好，不過測的部位是鍍上的，還是可以看出表面結(jié)合力比較好，能達(dá)到 20 N左右。磷化雖然表面分布均勻，晶粒細(xì)小，不過從3D圖可以看出表面不是一粒一粒的，像一個平面，從拍照的圖中可以看出表面已經(jīng)有了裂紋，而且鍍層與基體在劃痕周圍已經(jīng)分裂開來，從3D圖中也可以看出鍍層與基體的結(jié)合力明顯較差；化學(xué)轉(zhuǎn)化雖然看上去表面晶粒粗大，但是從 3D圖中看出那些其實都是凹坑，并不是一粒一粒的，是一個整體，所以測得的結(jié)合力很好，能達(dá)到35 N左右；預(yù)鍍表面晶粒細(xì)小，分布均勻，所以結(jié)合力也較好，能達(dá)到26 N左右。結(jié)合力從好到差依次為化學(xué)轉(zhuǎn)化、預(yù)鍍、微弧氧化、磷化。

圖2 不同預(yù)處理后所得化學(xué)鍍鎳層的結(jié)合力測試結(jié)果Figure 2 Results of bonding force test for Ni–P coatings prepared after different pretreatments

圖3 結(jié)合力測試的拍照結(jié)果Figure 3 Photos showing the results of bonding force test

2.3 不同預(yù)處理工藝的鍍層摩擦磨損行為

2.3.1 耐磨性

由圖4可以看出，由于基體沒有鍍層，測出來的摩擦因數(shù)波動比較大，摩擦因數(shù)也比較大，達(dá)到0.8左右。對比不同預(yù)處理后Ni–P合金鍍層的摩擦因數(shù)由高到低依次是微弧氧化、預(yù)鍍、磷化、化學(xué)轉(zhuǎn)化，說明耐磨性由高到低的順序為化學(xué)轉(zhuǎn)化、磷化、預(yù)鍍、微弧氧化。

圖4 摩擦因數(shù)檢測結(jié)果Figure 4 Results of friction factor inspection

從圖5c中的2D圖可以看出，化學(xué)轉(zhuǎn)化的鍍層表面只有很少的地方被磨損到，3D圖中也可以看出只有很少的地方是藍(lán)色的，所以化學(xué)轉(zhuǎn)化后的鍍層耐磨性最好，其摩擦因數(shù)只有0.5左右(見圖4)。從圖5b中可以看出磷化的耐磨性較好，其摩擦因數(shù)僅在0.5 ~ 0.6之間(見圖4)。從圖5d的2D圖和3D圖看出預(yù)鍍的耐磨性比化學(xué)轉(zhuǎn)化和磷化差，但是比基體有明顯的提高。從圖4中看出，微弧氧化后鍍層的耐磨性比基體還要差，說明化學(xué)鍍鎳之前基體表面沒有活化好，導(dǎo)致表面沒有活化好的地方無鍍層，又因局部鍍上了鎳層，結(jié)果形成了高度差。

圖5 摩擦磨損測試拍照結(jié)果Figure 5 Photos of the specimens after friction and wear test

2.3.2 磨損質(zhì)量損失

磨損分為磨料磨損和粘著磨損。磨料磨損是指硬粒子或表面凸起物被壓入較軟的表面內(nèi)，在表面橫向相對運動時，形成劃傷、鑿削、犁削等引起質(zhì)量流失的現(xiàn)象，而粘著磨損是指相互接觸的表面發(fā)生橫向相對運動時，由于表面在壓力的作用下發(fā)生冷焊而造成表面材料損失的現(xiàn)象[6]。

一般而言，材料表面相互摩擦?xí)r，磨料磨損和粘著磨損同時發(fā)生，材料表面橫向運動時，粘合處被切斷，若切斷面不在粘合位置，則磨損物質(zhì)從這一面粘附到另一面上，這樣的磨損為粘著磨損。若粘合的兩面在切斷時產(chǎn)生了微粒，則這些微粒與其他來自外界的微粒一樣，可以磨掉材料表面的物質(zhì)，此時便為磨料磨損。不論粘著磨損還是磨料磨損，都與材料表面硬度有關(guān)。硬度高的表面在粘合處斷開的可能性小，且磨損少[7]。鍍層磨損量見表2。耐磨性能由好到差依次為化學(xué)轉(zhuǎn)化、磷化、預(yù)鍍、微弧氧化。

表2 不同預(yù)處理后所得鍍層的磨損量Table 2 Wear loss of the coatings prepared after different pretreatments

2.4 預(yù)處理工藝的確定

經(jīng)過微弧氧化后化學(xué)鍍鎳的沉積速率為10.256 μm/h，制備的鍍層摩擦因數(shù)為0.9，結(jié)合力在20 N左右；經(jīng)過磷化后化學(xué)鍍鎳的沉積速率為5.526 μm/h，制備的鍍層摩擦因數(shù)為0.56，結(jié)合力在15 N左右；經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)化后化學(xué)鍍鎳的沉積速率為13.6 μm/h，制備的鍍層摩擦因數(shù)為0.5，結(jié)合力在35 N左右；經(jīng)過預(yù)鍍后化學(xué)鍍鎳的沉積速率為5.534 μm/h，制備的鍍層摩擦因數(shù)0.6，結(jié)合力約26 N。因此，應(yīng)當(dāng)選擇化學(xué)轉(zhuǎn)化作為TC4鈦合金化學(xué)鍍鎳的預(yù)處理工藝。

3 結(jié)論

研究了磷化、微弧氧化、預(yù)鍍和化學(xué)轉(zhuǎn)化這4種預(yù)處理工藝對鈦合金化學(xué)鍍鎳沉積速率、鍍層結(jié)合力和表面形貌的影響，并研究了4種預(yù)處理工藝下鍍鎳層的摩擦磨損行為。結(jié)果表明，化學(xué)轉(zhuǎn)化預(yù)處理后化學(xué)鍍鎳的沉積速率最高(可達(dá)13.6 μm/h)，鍍層結(jié)合力良好(可達(dá)35 N)，且摩擦因數(shù)較低(僅0.5左右)。磷化預(yù)處理后化學(xué)鍍鎳的沉積速率低，鍍層結(jié)合力較差(僅15 N左右)。微弧氧化處理后化學(xué)鍍鎳得到的鍍層結(jié)合力良好，但沉積速率僅有5.5 μm/h，摩擦因數(shù)高達(dá)0.9。預(yù)鍍后化學(xué)鍍鎳的沉積速率約為10 μm/h，鍍層結(jié)合力約為28 N，摩擦因數(shù)明顯低于鈦合金基體，但整體性能略低于化學(xué)轉(zhuǎn)化處理后得到的鍍層。

選擇化學(xué)轉(zhuǎn)化作為預(yù)處理工藝時，TC4鈦合金表面化學(xué)鍍鎳的沉積速率高，獲得的Ni–P合金鍍層晶粒細(xì)致、分布均勻，結(jié)合力高，耐磨性好。