钛合金表面Ni-B镀层的制备工艺及微动磨损性能.pdf

第31卷第8期2 0 1 0 年8 月材料热处理学报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.3 1No.8August2 0 1 0钛合金表面 Ni-B 镀层的制备工艺及微动磨损性能杨玲玲，宋丹路，师晓(西南科技大学制造科学与工程学院，四川 绵阳621010)摘要:以钛合金 TA7 为基体，分别制备了硝酸铅做稳定剂的常规 Ni-B 镀层和硫酸铊做稳定剂的 Ni-B 镀层(NTB 镀层)。提出了一种改进型的钛合金表面活化工艺，通过该前处理工艺能够获得具有良好结合力的镀层。用 TM-1000 扫描电子显微镜观察了镀层微观显微形貌，在 DELTALAB-NENE 高精度液压伺服微动试验机上进行了微动摩擦试验，结果表明:跑合阶段 NTB 镀层摩擦系数为 0.13，同比基体减小了 24%，比常规 Ni-B 镀层减小了 19%，摩擦系数上升的速度比基体减缓了 75%，比常规 Ni-B 镀层减缓了 40%，说明硫酸铊做稳定剂的 NTB 镀层具有优异的抗微动损伤性能。关键词:钛合金;化学镀;微动损伤;NTB 镀层;Ni-B 镀层中图分类号:TG174.44;TH117.1文献标志码:A文章编号:1009-6264(2010)08-0132-04Preparation technology and fretting behaviorof Ni-B coatings on titanium alloyYANG Ling-ling，SONG Dan-lu，SHI Xiao(Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China)Abstract:Ni-B coatings with lead nitrate as stabilizer(Ni-B coating)and with thallium sulfate as stabilizer(NTB coating)were preparedon titanium alloy TA7 substrate by electroless plating.A modified twice-zinc-dipping process was developed to improve the activiation oftitanium alloy.Surface morphology of the coatings was observed by means of scanning electron microscope and the fretting property wastested on a hydraulic servo fretting wear tester.The result shows that the friction coefficient of NTB coating is 0.13 in running-in stage，which decreases 24%and 40%compared with that of substrate and Ni-B coating，respectively.Key words:tianium alloy;electroless plating;fretting damage;NTB coating;Ni-B coating收稿日期:2009-07-31;修订日期:2010-05-04基金项目:四川省科技支撑计划(2008GZ0037);西南科技大学重点项目(06ZX2120)作者简介:杨玲玲(1984)，女，从事表面工程及摩擦学方面研究，E-mail:yll_sjz ;通讯作者:宋丹路(1971)，E-mail:danlus 。钛合金因其比强度高、低密度、良好的耐蚀性和高温性能及优异的综合力学性能，在航空航天等工业中占据越来越重要的位置。但是钛合金抗微动性能差，这成为影响其使用性能和寿命的最重要因素之一。因此采用合理的表面改性技术获得良好的抗微动损伤涂层，成为解决这一问题的有效途径 1-4。国内外对钛合金抗微动损伤的防护研究多是通过磁控溅射 5、气 相 沉 积 5-7、喷 丸、离 子 注 入、等 离 子 喷涂 8、粘接固体润滑涂层 9-10、激光淬火 11-12等方法来实现，但是这些方法的实现通常需要特殊设备，成本较高。相对而言，化学镀技术投入较少，因其广泛的适应性及良好的可操作性，在表面改性技术中起着越来越重要的作用 13。化学镀是通过溶液中适当的还原剂使金属离子在金属表面自催化作用下还原进行的金属沉积过程 14。本文以钛合金为基体用化学镀方法制备了硝酸铅为稳定剂的常规 Ni-B 镀层和硫酸铊做稳定剂的Ni-B 镀层(NTB 镀层)，提出了一种改进的钛合金表面活化工艺，研究在钛合金基体沉积两种镀层工艺及其微动磨损性能。1试验材料及方法1.1试样制备试验基体材料为 TA7 钛合金，规格为 10 mm 10mm 20 mm。由于钛合金表面极易生成一层致密的氧化膜，致使其呈现表面惰性，在这层薄膜上难以沉积出结合力良好的镀层。因此钛合金上镀覆必须解决好 镀 前 预 处 理 工 艺。国 内 外 对 此 虽 有 相 关 报道 15-20，但由于技术保密或存在过腐蚀、严重渗氢等问题，通常无法满足航空航天等工业中对钛合金零部件的一些特殊要求，比如高的可靠性。本文综合前人的研究成果，改进了二次浸锌工艺，得到结合力良好第 8 期杨玲玲等:钛合金表面 Ni-B 镀层的制备工艺及微动磨损性能的化学镍预镀层，保证了后续镀覆 Ni-B 的高可靠性。具体工艺为:1)机械抛光及除油:钛合金表面在低应变下易产生孪晶、形变和疵点，抛光时先用金相砂纸从粗到细打磨，然后再抛光。试验中表明，手工研磨比机器研磨表面效果要好。除油采用化学除油，将金属清洗剂稀释 50 倍加热到 50 左右，时间以油除尽为止;2)酸侵蚀:采用混酸侵蚀，氢氟酸和盐酸比例分别为 1 30，侵蚀 30 s;3)浸锌活化:室温下，采用二次浸锌工艺。第一次浸锌 1 min 后，蒸馏水漂洗 10 s 左右，第二次浸锌 2min，两次浸锌工序之间用 1 1 的 HNO3退镀 10 s。二次浸锌后蒸馏水漂洗。浸锌溶液配方为:盐酸 500ml/L，氢氟酸 5 ml/L，硫酸锌 20 g/L;4)化学预镀镍:溶液配方为:硫酸镍 30 g/L，次亚磷酸钠 25 g/L，柠檬酸钠 60 g/L，氯化铵 30 g/L，pH 值 9，温度85 ;5)热处理除氢:200 恒温加热 1.5 h;6)施镀:化学镀溶液配方工艺如表 1 所示，工艺配方中所用化学试剂均为分析纯试剂。表 1化学镀溶液配方工艺Table 1Both formula and process for electroless platingBoth formula and processing parameterValueNiCl26H2O/(g L 1)20C2H8N2/(g L 1)100NaBH4/(g L 1)1NaOH/(g L 1)45Pb(NO3)2/TlSO4LittlepH14Temperature/851.2试验方法微观显微形貌用用 TM-1000 扫描电子显微镜观察。根据 GB5933-1986 金属镀层的结合强度测试，采用锉 刀 法、划 痕 法 进 行 测 定。微 动 摩 擦 试 验 在DELTALAB-NENE 高精度液压伺服微动试验机上进行。采用球-平面接触方式，试样表面为平面，垂直放置，图 1 为微动试验装置示意简图。摩擦对偶件为40 mm 的 GCr15 钢球，其硬度为 870 890 HV。微动摩擦试验在室温(25 5 )，湿度 60%10%RH，干摩擦条件下进行。试验参数为:位移幅值 D=20m，法向载荷 Fn=100 N，频率 f=3 Hz，最大循环次数 N=3000 次。图 1微动试验装置示意简图Fig.1Sketch of fretting wear tester2实验结果及讨论2.1微观显微形貌钛合金 TA7 基体，硝酸铅为稳定剂的 Ni-B 镀层及硫酸铊为稳定剂的 Ni-B 镀层(NTB 镀层)的微观纤维形貌分别如图 2 和图 3 所示。图 2钛合金 TA7 基体Fig.2Surface morphology of titanium alloy TA7 substrate从图中看出，未镀前，TA7 合金表面是光亮如明镜的表面，硝酸铅为稳定剂的常规 Ni-B 镀层呈拥挤的扁平状，表面较光滑(图 3a)，硫酸铊为稳定剂的Ni-B 镀层(NTB 镀层)表面呈拥挤的胞状，胞状颗粒表面粗糙(图 3b)。2.2结合力测试结果试样尺寸为 10 mm 10 mm 20 mm，镀层厚度约 25 m，用锉刀将镀层挫破，挫痕周围没有翘起;用锋利的刀具在试样表面划两道间距 1 mm 左右的划痕，镀层没有起皮、龟裂和脱落。说明改进的二次浸锌活化工艺前处理的镀层有良好的结合力。2.3微动摩擦试验结果微动试验过程中，循环的摩擦力(Ft)-位移幅值(D)曲线(Ft-D 曲线)由控制系统自动记录。对于金属材料，通常可以观察到部分滑移区、混合区和完全滑移区三个区域。钛合金 TA7 基体、硝酸铅为稳定剂的常规 Ni-B 镀层及铊盐为稳定剂的 NTB 镀层的331材料热处理学报第 31 卷图 3(a)硝酸铅为稳定剂的 Ni B 镀层;(b)硫酸铊为稳定剂的 Ni-B 镀层Fig.3Microstructure of Ni-B coating with lead nitrateas stabilizer(a);Ni-B coating with thallium sulfateas stabilizer(NTB coating)(b)Ft-D 曲线均为典型的平行四边形状，这说明微动过程中，几种材料均处于滑移区，即在任一微动循环内，两接触体均发生相对滑移。通过 Ft-D 曲线及数据，进一步得到摩擦系数随循环次数变化的曲线图及相关数据，图 4 为钛合金 TA7 基体、硝酸铅为稳定剂的常规 Ni-B 镀层及铊盐为稳定剂的 NTB 镀层的摩擦系数随循环次数变化的曲线图。滑移态的摩擦系数随循环次数的变化曲线呈 4 个阶段特征，即摩擦系数较低的跑合阶段，二体作用的摩擦系数上升阶段，第三体形成的摩擦系数下降阶段和摩擦系数稳定阶段。从图 4 中可以看出，钛合金 TA7 基体的摩擦系数在循环开始时迅速上升，循环 70 次已经由开始的 0.17 升至 0.60，之后上升稍缓，377 次时达到最大 0.99，这是因为试样表面清洁无污物且 TA7 基体抗微动损伤能力较弱，一、二体之间实际接触面积迅速增大，发生粘着，致使摩擦力迅速增加，摩擦系数增大。硝酸铅为稳定剂的常规 Ni-B 镀层的摩擦系数上 升 较 晚 且 较 缓，循 环 90 次 时 才 从 初 始 的0.16 上升至 0.20，900 次摩擦系数达到最大 0.91，NTB 镀层摩擦系数上升最晚也最慢，摩擦系数从开始时的 0.13 直到 233 次循 环 才上 升 至 0.2，直到图 4微动摩擦磨损试验中摩擦系数随循环次数变化曲线1 钛合金 TA7 基体;2 硝酸铅为稳定剂的 Ni B 镀层;3 硫酸铊为稳定剂的 Ni B 镀层(NTB 镀层)Fig.4Curves of friction coefficient vs.number ofcycles for titanium alloy TA7 and the two coatingson 20 m displacement1titanium TA7 substrate;2Ni-B coating with leadnitrate as stabilizer;3Ni-B coating with thalliumsulfate as stabilizer(NTB coating)1499 次才达到最大 0.91。NTB 镀层的初始摩擦系数比 基 体 减 小 了 24%，比 常 规 Ni-B 镀 层 减 小 了19%，摩擦系数上升速度比基体减缓了 75%，比常规 Ni-B 减缓了 40%，说明 NTB 镀层的存在实现了很好的抗微动损伤，减小了摩擦系数，减缓了摩擦力上升的速度，且硫酸铊为稳定剂的 NTB 镀层的抗微动损伤性能优于硝酸铅为稳定剂的常规 Ni-B 镀层。NTB 镀层的微动摩擦系数较低，初步推测是与镀层的表面形貌及添加铊盐做稳定剂有关，结合镀层的表面形貌，与常规 Ni-B 镀层的微观表面相比NTB 镀层的微观表面较粗糙，高低不平的胞状颗粒使得摩擦处于点接触或者小面接触，同时，颗粒间的缝隙可以容纳部分含有铊元素的磨屑，而铊元素的存在很可能就是 NTB 镀层微动摩擦系数明显较低的原因，但是此点需要更进一步研究。3结论1)提出的钛合金的改进的二次浸锌镀前活化工艺，能够获得具有良好结合力的镀层;2)通过 TM-1000 扫描电镜观察镀层形貌，基础镀液相同但稳定剂不同的 Ni-B 镀层表面形貌不同，硝酸铅为稳定剂的常规 Ni-B 镀层呈拥挤的扁平状，表面较光滑，硫酸铊为稳定剂的 Ni-B 镀层(NTB 镀层)表面呈拥挤的“馒头”胞状，胞状颗粒表面粗糙;3)在 DELTALAB-NENE 高精度液压伺服微动试验机上进行的微动摩擦试验结果表明:跑合阶段 NTB431第 8 期杨玲玲等:钛合金表面 Ni-B 镀层的制备工艺及微动磨损性能镀层摩擦系数为 0.13，同比基体减小了 24%，比常规Ni-B 镀层减小了 19%，摩擦系数上升的速度比基体减缓了 75%，比常规 Ni-B 减缓了 40%，摩擦系数上升速 度 比 基 体 减 缓 了 75%，比 常 规 Ni-B 减 缓 了40%，说明硫酸铊做稳定剂的 NTB 镀层具有优异的抗微动损伤性能，该镀层的存在减小了材料摩擦系数，减缓了摩擦力上升的速度，从而可减少微动损伤带来的巨大损失。参考文献1 张轲.钛合金抗蚀、抗磨、抗疲劳表面技术的研究D.西安:西北工业大学，2001:1 11.2 张喜燕，赵永庆，白晨光.钛合金及应用M.北京:化学工业出版社，2005:289 296.3 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