陈 晶，王 琴，成 阳，李 丰

（航空工业洪都，江西 南昌， 330095）

0 前言

某型飞机大量采用钛合金材料，在钛合金表面进行化学镀镍，能增强零件表面硬度，提高其耐磨性及耐蚀性。但钛合金表面极易生成致密、附着力强，厚约5nm～l0nm 的氧化钛（TiO）薄膜，这层薄膜即使受到机械破损，也会很快自愈和再生。 该薄膜具有很强的化学稳定性，严重影响钛合金表面的导电性和化学活性，故在钛合金上化学镀镍的关键问题是如何进行前处理，从而改善其与基材的结合力。因此，本试验在常用材料TC4 钛合金表面，利用微弧氧化技术制备中间过渡层，与目前常用的前处理工艺如常规活化、表面活化、二次浸锌、活化预镀镍进行比较分析，然后在其表面制备化学镀镍层，并研究了不同前处理对钛合金化学镀镍层性能的影响，同时对微弧氧化的成膜机理进行了研究。

1 试验

1.1 基材及化学镀镍前处理

采用TC4 钛合金，尺寸为50 mm×50 mm×1 mm。前处理方案分为六类，分别为“微弧氧化前处理”、“常规活化前处理”、“表面活化前处理”、“二次浸锌前处理”、“活化预镀镍前处理” 以及“未活化处理”。

TC4 钛合金化学镀镍工艺流程：打磨→水洗→化学除油→水洗→丙酮清洗→前处理→化学镀镍→水洗→吹干→热处理除氢

1.2 化学镀镍

化学镀镍配方及参数：硫酸镍26g/L，次磷酸钠30g/L，硼酸12g/L，乳酸20mL/L，醋酸钠20g/L，pH 为4.8-5，温度为85℃,时间为1h。

1.3 热处理除氢

本试验热处理的目的是提高镀层结合力和硬度以及对零件进行镀后除氢。

1.4 镀层性能检测

1） 镀层外观

化学镀镍层的外观一般为光亮或半光亮并略带黄色，有类似银器的光泽。镀层表面粗糙度采用TR100袖珍式粗糙度仪进行检测。

2） 截面形貌

采用Quanta200 型扫描电子显微镜（SEM)对钛合金微弧氧化+化学镀镍层进行截面形貌的观察。

3） 镀层厚度

采用磁性测厚仪测定镀层的厚度，测量镀层上不同位置的三处，得出数值并取平均值。

4） 镀层硬度

采用HV-1000Z 型自动转塔显微硬度计测硬度，载荷为0.1kg。

5） 镀层结合力

用WS-2005 划痕仪检测微弧氧化后化学镀镍层的结合力，加载载荷为40N,金刚石压头的加载速度40N/min，划痕速度4mm/min。采用划格法测量其余前处理后化学镀镍的结合力。

6） 镀层耐腐蚀性能

变色点优先发生在镀层表面有缺陷处，高耐蚀性的镀镍层在浓硝酸溶液中至少30S～180S 才出现变色点。

2 结果与分析

2.1 镀层外观

微弧氧化、常规活化、表面活化、二次浸锌、活化预镀镍前处理后化学镀镍层呈现光亮或半光亮色，未经活化的钛合金几乎镀不上镍层，取出后基体表面几乎无镀层。

通过电镜观察钛合金试样常规活化前后，发现活化可以改变工件的表面形貌。TC4 钛合金材料活化前后的微观表面形貌见图1。其中图1（a）是未经活化试样的表面，样品表面平整，颜色均匀。 图1（b）是常规活化后的表面形貌， 样品表面出现了黑白两种颜色，其中白色物质呈山峦状并均匀分布在黑色之上，活化后在试样表面形成了宏观均匀、微观凹凸不平的表面，在之后的化学镀镍过程中依靠界面的机械齿合作用大大增强了结合力。未经活化的界面缺少这样一种机械齿合作用，故基体几乎不能镀上镍层。

图1 TC4 钛合金常规活化前后的微观表面形貌

此外，随机抽取各前处理后化学镀镍所得试样进行粗糙度检测，分别检测微弧氧化5min、10min、15min、20min 后化学镀镍层对应的粗糙度值，并检测其余前处理后化学镀镍层对应的平均粗糙度值。

由结果可知，不同的微弧氧化时间后，再进行化学镀镍所得到的镀层粗糙度有明显的差异，且随着微弧氧化时间的延长，其对应的粗糙度更大。当化学镀镍时间相同时， 镀层粗糙度与基体粗糙度大致成正比，这表明微弧氧化后、化学镀镍前，试样的粗糙度也是随着微弧氧化时间的延长而增大。通过扫描电镜图进一步分析可知，随着微弧氧化时间的延长，其表面形成的陶瓷膜增厚，试样表面的等离子微弧火花数量增加，弧光强度增加，由于连续的火花放电，等离子放电相互叠加，大部分孔洞完全封闭，陶瓷膜的表面粗糙度随之增加。

常规活化、表面活化、二次浸锌的粗糙度相当，预镀镍后，化学镀镍层的粗糙度值要稍大于前三者，这表明预镀镍后试样的粗糙度要高于前三者。

2.2 微弧氧化+化学镀镍复合处理的截面形貌

图2为不同氧化时间下微弧氧化膜+化学镀镍层截面形貌（500 倍）。 从左至右依次为钛基体、微弧氧化膜、化学镀镍层。随着微弧氧化时间的增加，陶瓷膜增厚，陶瓷膜厚度分别为8um、10um、12um、18um。 随着微弧氧化时间的增加，表面陶瓷膜厚度不断增加并凸起，薄膜处不断击穿形成凹状。

图2 不同氧化时间下微弧氧化膜+化学镀镍层截面形貌（500 倍）

当电压超过钛合金表面常规氧化膜的击穿电压后，阳极表面将发生微等离子弧光放电，即在某个放电微区产生瞬时的高温高压作用，使该处的氧化膜形成熔化微区，但随即被周围相对低温的电解液所冷却，迅速凝固成孔。 微等离子弧光放电只在微区产生瞬间高温，陶瓷膜被击穿后弧光熄灭，在电解液冷却作用下，熔化的微区迅速冷却凝固，使得熔融物快速冷却而形成陶瓷相物质。 因此，微弧氧化过程可以认为是一个陶瓷膜的生成、重熔、烧结、堆积的过程。

2.3 镀层厚度

用电子测厚仪测定镀层的厚度，随机取不同前处理后得到的镍层试样进行检测，取平均值，如图3 所示。

由图3 可知，微弧氧化前处理得到的镍层厚度要高于其他前处理，其次是二次浸锌处理后得到的镍层厚度大。 这说明在同等化学镀镍工艺下，微弧氧化后化学镀镍层厚度最大，适合提供高厚度的化学镀镍层。

图3 不同前处理对应镍层的平均厚度

2.4 镀层硬度

取不同前处理下的化学镀镍件进行硬度检测，分别记录常规活化、表面活化、二次浸锌、预镀镍前处理所得镀层平均硬度以及微弧氧化时间为5min、10min、15min、20min 后化学镀镍层的硬度值。

结果可知常规活化、表面活化、二次浸锌前处理后得到的镍层经热处理后硬度相当，预镀镍处理得到的镍层硬度高于前三者；在一定范围内，随着微弧氧化时间的延长，所得到的镍层硬度也不断增大，这主要因为随着微氧时间的延长，在基体上形成的陶瓷膜也越厚，出现越来越多的烧结颗粒，局部熔融现象更多，导致硬度增大。

2.5 镀层结合力

由划格法所测不同前处理所得镍层的结合力结果可知，表面活化、常规活化后所得镍镀层的结合力均较差，按国标等级均为4 级。二次浸锌、预镀镍所得镍镀层的结合力很好，按国标等级均为0 级。 因TC4经表面活化或常规活化后再接触到水和空气，又在其表面重新生成一层新的氧化膜，且这种氧化膜具有很好的“自愈合性”，对TC4 合金进行镀覆时，该膜将严重影响钛合金与镀层间的结合力，造成镀覆层的起皮、脱落。活化后，先进行预镀镍，再进行化学镀镍，其膜层与基体结合力明显提高。 由于预镀镍过程中，钛氧化膜先溶解，活性钛表面露出后，便发生了镍钛置换反应：2Ti+3Ni=2Ti+3Ni，直至TC4 被镀层完全覆盖，才停止置换反应。TC4 表面进而会覆盖上一层薄薄的镍层，使随后的化学镀镍变得容易。

二次浸锌后，化学镀镍层结合力也如此之高，是因为钛合金经过浸蚀首先除去表面的氧化物，同时生成一层含氧化钛的保护膜，浸锌活化则是在钛合金材料表面氧化膜溶解的同时，形成一层与基体结合良好的灰色锌膜层，同时该膜层表面处于活化状态，为以后的化学镀镍提供了优良的活化表面。

通过观察和分析可知， 钛合金试样经二次浸锌后，外观光亮，其表面膜组成主要是钛的氧化物，这是经浸蚀后的活性钛表面与空气中的氧气反应的结果。经过活化处理的试样，外观为浅灰色，其表面主要是锌层。 因此选择适宜的活化液和操作条件，使钛合金表面生成一层致密和相对稳定的锌层是关键，膜的厚度要适当，太厚易疏松，太薄则易使钛基体氧化，都会影响钛合金与镀层的结合强度。

图4（a）、（b）、（c）、（d）分别为微弧氧化5min、10min、15min、20min 后化学镀镍层的划痕形貌，由图明显可知，随着微弧氧化时间的增加，划痕越来越不明显，化学镀镍层的结合力也随之提高。这是因为随着微弧氧化时间的增加，陶瓷膜增厚。由于连续的火花放电，等离子放电通道相互叠加，陶瓷膜的表面粗糙度增加，表面膜厚不断增加并凸起，膜薄处不断击穿形成Ω状的沟槽，在镍原子填满沟时，就与微弧氧化膜相互嵌合，进而在很大程度上提高了镍镀层的结合力。

图4 微弧氧化时间分别为5min、10min、15min、20min 化学镀镍层划痕形貌

2.6 镀层耐腐蚀性能

随机抽取不同前处理所得镍层试样，采用浓硝酸实验法检测各自耐腐蚀性能，所得镍层耐蚀性均在30s 之上，符合该实验国标中规定的“30S～180S 出现变色点”要求。同时，微弧氧化和二次浸锌前处理后得到的镍镀层耐蚀性要优于其余前处理方案。这说明由这两种方案得到的镍镀层的孔隙率和厚度表现出的性能要优于其余前处理方案。

3 结论

TC4 钛合金采用微弧氧化前处理比常规活化、表面活化、二次浸锌、活化预镀镍前处理后生成的化学镀镍层的综合性能要好。 随着微弧氧化时间的延长，其对应化学镀镍层的厚度、硬度、结合力、耐蚀性均会增加。 而采用二次浸锌、预镀镍前处理所得镍镀层的结合力用划格法检测可达国标0 级，采用常规活化、表面活化前处理所得镍镀层的结合力用划格法检测为国标4 级，未活化的TC4 钛合金几乎不能镀上镍层。

综上，某型飞机的钛合金零件可采用延长时间的微弧氧化+化学镀镍表面处理方式，以此方式制备的钛合金化学镀镍层将得到1500HV 以上的硬度值，可进一步提高零件表面的耐磨性，同时能充分满足海洋气候等各种恶劣环境下的零件防腐要求，提高零件的防腐性能并延长其使用寿命。