作者:Darrin Radatz、Ani Zhecheva 和 Sid Clouser

高强度和低重量,加上容易形成坚韧的表面氧化膜的能力,使钛及其合金可用于航空航天、工业和医疗领域的许多应用。

钛合金的一个限制是相对较差的抗粘着磨损性,这会导致磨损和冷焊、微动性能差和摩擦系数高。可以通过提供表面涂层来克服这一限制。涂层还用于热反射、发射率、热酸性环境中的耐腐蚀性、导电性、润滑性、钎焊和尺寸调整。

表面处理

钛非常活泼,只要金属表面暴露在空气或任何含有可用氧的环境中,它就会迅速形成氧化膜。该氧化层应在电镀或其他表面处理之前去除,但其韧性使去除成为问题。

表面粗糙化可以提高涂层的附着力,可以通过磨损、喷砂和蚀刻来实现。表面处理是实现任何涂层对钛的牢固附着力的关键,因为镍刷镀在氧化膜上会导致局部区域附着力差。

SIFCO Applied Surface Concepts 对钛进行了多次表面处理和选择性电镀实验。我们的研发部门在三种基材中获得了 1.1 毫米厚的钛板和 0.83 毫米厚的管材:Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn 和商业纯 2 级钛,并使用多种技术对表面进行了机械加工,包括干式或湿磨、钢丝刷和喷砂。

机械方法

R&D 使用机械方法通过增加基材表面积和暴露新鲜、干净的钛表面来提高附着力。通过用研磨介质、钢丝刷磨损或用碳化硅、湿法或干法氧化铝喷砂对表面进行机械加工,增加了表面积并提高了沉积物的附着力。但是,附着力仍然不够高,无法在 180° 弯曲测试中正常进行。

酸蚀

然后,他们着手确定一种电化学处理方法,该方法能够以受控方式增加基材表面积并提供无氧化物表面,从而实现良好的沉积附着力。得到的电化学处理包括电解质和阳极/阴极蚀刻/活化方法,以促进钛表面的微蚀刻,从而增加表面积并减少表面氧化物。这种电化学处理产生了优异的粘附性。表 1 中给出的电镀程序用于制作优质镀层。

有几个因素促成了优异的附着力:机械联锁、增加的表面积和没有氧化膜。这三个属性是在刷镀过程中产生的。刷镀特别适合产生这些属性,因为电解液体积小,阳极和阴极之间的紧密接触,以及电解液可以从活化快速切换到触击电镀。

该过程的重要考虑因素是:

  • 始终保持钛处于潜在控制之下
  • 使电镀区域 100% 被包裹的阳极覆盖
  • 使用从阳极到阴极的快速切换
  • 步骤之间不允许冲洗
  • 不要重复使用该解决方案。

其他评价

钛合金短柱的表面通过机械加工或碳化硅喷砂进行预处理,然后使用表 1 中的工艺进行研磨、蚀刻和活化。从两种酸性电解质中镀上 50 微米厚的镍沉积物。所有试样的失效模式都是在镍涂层 – 钛界面处的粘合。

根据通用汽车工程标准 GM3661P 对氢脆进行了测试,所有样品的氢脆均符合要求,即在任何试样上均未观察到失效或开裂。

该技术对Ti-6Al-6V-2Sn合金也表现良好,沉积物附着力令人满意。但是,该程序不能在 2 级钛上提供具有足够附着力的沉积物。 2 级沉积物通常通过胶带测试,但未通过弯曲测试。

未来的研究工作将继续开发镀层与钛合金良好附着力的原则,并确定一种在 2 级钛上沉积具有改进附着力的涂层的工艺。还将研究其他比钛耐磨性更好的材料的沉积。