离子镀结合电沉积技术实现钛合金表面功能性镀覆

胡江华，吴晓霞，张晔

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031）

【真空镀】

离子镀结合电沉积技术实现钛合金表面功能性镀覆

胡江华*，吴晓霞，张晔

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031）

采用离子镀技术和电沉积技术相结合的方法，对 TA15钛合金表面进行功能性镀覆试验。首先碱液除油及以氢氟酸–盐酸–氟化钠溶液除氧化膜，然后用离子镀方法沉积 Ti–Ni–Cu多层膜，再在镀酸铜的基础上电沉积亮镍或氰化镀银，从而获得功能性镀层。热震及锉刀试验结果表明，镀层附着力良好。

钛合金；离子镀；电镀；结合力

1 前言

钛及钛合金具有很高的比强度，耐腐蚀性能优异，中温性能好，已在各个领域(特别是宇航工业)获得广泛的应用[1-3]。但是，由于钛合金具有耐磨性能差，表面易擦伤、咬死，焊接性能差，导电性差等缺点，其应用范围受到了限制。采用适当的表面处理工艺可以大大改善钛的性能，赋予其新的物理性能，扩大其应用范围。

钛合金通常采用电镀或化学镀的方法进行表面处理，但由于钛合金具有较强的化学活性，在空气中极易生成的氧化膜影响了镀层的附着力。因此钛合金电镀一般需要采取特殊的预处理技术，如喷砂处理，转化膜处理，浸锌及闪镀镍处理，热(扩散)处理等[4]。这些措施虽可改善镀层附着力，但工艺过程较为繁琐，过程控制严格。

本文采用物理气相沉积(PVD)技术和电镀技术相结合的方法，在提高钛合金表面镀层附着力方面取得了较好效果。其基本思路是：首先利用离子镀技术在钛合金表面沉积上一层具有较强附着力的过渡层，然后在过渡层上电镀所需要的功能层。

2 试验过程

2. 1 样板

50 mm × 50 mm × 1 mm的TA15钛合金板。

2. 2 主要流程

前处理─离子镀─活化─电镀铜─电镀镍或银─镀层附着力测试。

2. 3 试验工艺

2. 3. 1 前处理

主要是除油和除氧化膜。其中除油方法与常规的金属零件化学除油工艺相同，采用碱溶液。除氧化膜工艺如下：

2. 3. 2 离子镀

试验设备为 TGF-1200型多弧离子镀膜机，共有18个弧靶，分3组，钛靶6只、镍靶6只、铜靶6只。1个偏压离子源，具有离子轰击清洗功能。

将经过前处理的样板放入真空室内，抽真空至5 × 10−3Pa，镀膜室加温至300 °C；向真空室内充入氩气，调节流量至室内压力为2 × 102Pa，开启偏压离子源对样板进行溅射清洗约5 min。调节氩气流量至室内压力为3 × 10−1Pa， 依次开启钛靶、镍靶和铜靶，单个弧靶电流为80 A，时间分别为10、15和30 min。在钛层与镍层之间以及镍层与铜之间分别形成梯度过渡层。前者的做法是：在由钛层向镍层转换时，先关闭部分钛靶，同时开启部分镍靶进行共沉积；然后逐步减少钛靶至全部关闭，镍靶逐步增多至全部开启。镍铜之间的梯度过渡层可采取类似的方法获得。镀覆完毕后自然冷却至60 °C，取出样板后转入电镀工序。

2. 3. 3 电镀

经过离子镀的样板表面为铜镀层，按照铜基材进行电镀处理。

2. 3. 3. 1 活化

由于离子镀膜层较薄，且氧化情况轻微，因此采用10%(质量分数)的稀硫酸活化10 ～ 20 s即可。

2. 3. 3. 2 酸性光亮镀铜

2. 3. 3. 3 酸性光亮镀镍

2. 3. 3. 4 氰化镀银

2. 3. 4 镀层附着力测试

参照GB/T 5270标准进行热震试验[加热至(250 ± 10) °C后投入水中骤冷，观察镀层是否起泡、脱落]和锉刀试验(用普通锉刀沿 45°角锉样板边缘，观察镀层与基体是否出现分层)。

3 试验结果与分析

3. 1 试验分组

样板分为3组：第1组是除油酸洗后直接电镀镍；第2组是除油酸洗后离子镀+电镀铜和镍；第3组是除油酸洗后离子镀+电镀铜和银(镀银前先预浸银)。

3. 2 结果分析

试验发现，钛合金除油酸洗后不经过特殊处理而直接电镀时，由于钛在空气中极易氧化，镀层大面积鼓泡，附着力很差。但经过离子镀打底后再进行电镀时，镀层附着力都较好，热震和锉刀测试均合格。这主要是因为离子镀的镀覆条件和沉积机理与电镀都不同。离子镀在高真空条件下进行，真空室压力为 5 × 10−3Pa，氧气浓度极低，在工作时充入的氩气为惰性气体，不会与钛合金产生氧化反应。镀覆前用偏压离子源进行溅射清洗，高能粒子轰击可有效去除钛合金表面极薄的氧化膜以及其他污染物，漏出新鲜干净的钛合金基体，有利于与镀层的结合。再者，在离子镀过程，工件带负压，镀层金属离化后在电场力的作用下加速到达工件表面并沉积，离子具有较高的能量，与工件结合时有一定的“嵌入”效果，获得的附着力较高。另外，采用钛靶打底，与基体材料一致，钛镍之间及镍铜之间梯度过渡，不同镀层之间无明显的界面，可有效避免膨胀系数的差异对附着力造成的影响。后续的功能性镀层电镀与在常规铜合金表面电镀无明显区别。

4 结论

采用离子镀技术打底可有效解决钛合金进行功能性电镀时的附着力问题，省却电镀时诸多特殊处理工序。离子镀与电镀技术相结合可赋予钛合金零件表面耐磨、可焊、高导电等诸多性能，是钛合金零件镀覆工艺中的一种有效选择。

[1] 曾华梁, 吴仲达, 陈钧武, 等. 电镀工艺手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1997.

[2] ZHANG J S, YANG Z L, AN M Z, et al. A new process of electroplating on titanium and titanium alloy for aerospace [J]. Transactions of the Institute of Metal Finishing, 1996, 74 (1): 25-27.

[3] 王国宏. 钛合金在航天火箭中的应用[J]. 钛工业进展, 1999 (5): 26-27.

[4] 孙志华, 刘佑厚, 张晓云, 等. 钛及钛合金的电镀工艺述评[J]. 腐蚀与防护, 2005, 26 (11): 493-496.

Functional plating on titanium alloy surface by combining ion plating with electroplating //

HU Jiang-hua*, WU Xiao-xia, ZHANG Ye

The functional plating on the surface of TA15 titanium alloy was tested by combination of ion plating and electroplating techniques. A functional coating was obtained by the following steps: (1) alkaline degreasing and deoxidizing with HF–HCl–NaF solution; (2) deposition of Ti–Ni–Cu multilayer by ion plating; (3) acid copper electroplating; and (4) bright nickel or cyanide silver electroplating. The results of thermal shock and file tests showed that the adhesion of the coating to titanium alloy substrate is good.

titanium alloy; ion plating; electroplating; adhesion

No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230031, China

TQ153.1

A

1004 – 227X (2011) 12 – 0020 – 02

2011–05–31

2011–07–24

胡江华（1965–），男，安徽人，硕士，高级工程师，主要从事金属及非金属材料表面处理工作。

作者联系方式：(E-mail) hjhcetc38@163.com。

[ 编辑：温靖邦 ]