钛合金镀铜、镀银工艺

刘玉敏*，李鹏，李任和

（西安航空发动机（集团）有限公司，陕西 西安　710021）

【经验交流】

钛合金镀铜、镀银工艺

刘玉敏*，李鹏，李任和

（西安航空发动机（集团）有限公司，陕西 西安710021）

为克服钛合金氰化镀铜、镀银层结合力不良的问题，通过改变基体预处理方式设计了5个镀铜、镀银方案并进行结合力表征，得到钛合金镀铜、镀银的最佳工艺流程为：湿吹砂─保护─轻石灰刷洗除油─冷水洗─酸性镀铜或氰化镀银─冷水洗─压缩空气吹干。生产实践证明采用该工艺电镀所得产品结合力均合格，且含氢量不超标。介绍了电镀过程中控制钛合金含氢量的方法和注意事项。

钛合金；铜；银；电镀；湿吹砂；结合力；含氢量

First-author's address： AVIC Xi'an Aero-Engine （Group） Ltd.， Xi'an 710021， China

钛合金零件镀银、镀铜可防止零组件接合造成表面粘连，降低拆卸难度，防止拆卸时划伤基体。钛合金叶片榫头表面银层可有效降低叶片在气流冲击中的震动。因此该工艺在未来航空产品中有较好的实用前景。

1　钛合金零件镀铜、镀银工艺的难点

钛合金材料在空气、水及酸、碱、盐溶液中会自然生成致密的氧化膜，这层氧化膜在除尽后又会在后续工步之间快速生成，使镀层与基体之间的结合力降低。因此镀前采用一般的除油、腐蚀工艺无法保证镀层与钛合金之间的结合力。镀层结合力不良的常见现象是镀层起泡和脱落。

钛合金材料对氢有特别的亲和力，吸氢速率快，吸氢量多。渗入钛合金材料中的氢不仅以分子状态游离于晶格或空隙中，而且与钛合金形成稳定的化合物，镀后用空气循环炉低温（200 °C左右）处理无法除去氢，只有采用真空炉在高温（900 °C左右）下处理才能有效除氢，除氢的成本较高。

2　钛合金零件镀铜、镀银工艺

选用100 mm × 20 mm × 1 mm的TC11钛合金试片为基体材料，采用5种方式对钛合金进行前处理，对比研究了前处理方式对钛合金零件镀铜、镀银层结合力的影响。施镀完毕，在500 lx灯光下通过目视或用2 ～ 4倍放大镜检查镀层有无起泡现象，采用钢针划十字、井字，检查镀层有无脱落。

2. 1工艺流程

2. 1. 1方案一

电解除油─热水洗─冷水洗─硝酸-氢氟酸腐蚀─冷水洗─氰化镀铜或氰化镀银─冷水洗─压缩空气吹干。

2. 1. 2方案二

电解除油─热水洗─冷水洗─硝酸-氢氟酸腐蚀─冷水洗─冲击镀镍─冷水洗─氰化镀铜或氰化镀银─冷水洗─压缩空气吹干。

2. 1. 3方案三

化学除油─热水洗─冷水洗─硝酸-氢氟酸腐蚀─冷水洗─冲击镀镍─冷水洗─氰化镀铜或氰化镀银─冷水洗─压缩空气吹干。

2. 1. 4方案四

湿吹砂─冲击镀镍─冷水洗─氰化镀铜或氰化镀银─冷水洗─压缩空气吹干。

2. 1. 5方案五

湿吹砂─保护─轻石灰刷洗除油─冷水洗─酸性镀铜或氰化镀银─冷水洗─压缩空气吹干。

2. 2配方与工艺

2. 2. 1除油

2. 2. 1. 1电解除油

NaOH30 ～ 50 g/L

Na3PO4·12H2O30 ～ 50 g/L

Na2CO320 ～ 30 g/L

Na2SiO3·9H2O3% ～ 5%（质量分数）

总碱度（以NaOH计）40 ～ 80 g/L

θ60 ～ 80 °C

Ja3 ～ 7 A/dm2

Jk3 ～ 7 A/dm2

t（阴极）3 ～ 10 min

t（阳极）0.5 ～ 2.0 min

2. 2. 1. 2化学除油

NaOH30 ～ 50 g/L

Na3PO4·12H2O30 ～ 50 g/L

Na2CO320 ～ 30 g/L

Na2SiO3·9H2O3% ～ 5%（质量分数）

总碱度（以NaOH计）40 ～ 80 g/L

θ60 ～ 80 °C

t20 ～ 30 min

2. 2. 1. 3轻石灰刷洗除油

轻石灰

80%

θ室温

t0.5 ～ 1.0 min

2. 2. 2硝酸-氢氟酸腐蚀

HNO3

200 g/L

HF50 g/L

θ室温

t30 s

2. 2. 3冲击镀镍

NiCl2·6H2O200 g/L

HCl（1.16 g/cm3）70 ～ 110 mL/L

θ室温

Jk5 ～ 10 A/dm2

t2 ～ 4 min

2. 2. 4湿吹砂

采用120 ～ 220目的Al2O3砂，水与砂的质量比是5∶1，在0.55 MPa下对基体进行湿吹砂，直至基体表面呈均匀的浅灰色。

2. 2. 5保护

用画笔蘸上80 ～ 90 °C的蜂蜡液，刷涂在非镀表面至蜡层厚度为1 ～ 3 mm即可。

2. 2. 6电镀

2. 2. 6. 1镀铜

氰化镀铜配方和工艺如下：

CuCN50 ～ 70 g/L

NaCN（游离）12 ～ 20 g/L

θ室温

Jk0.5 ～ 1.5 A/dm2

t依厚度而定

酸性镀铜配方和工艺如下：

CuSO4·5H2O150 ～ 200 g/L

H2SO4（1.84 g/cm3）50 ～ 70 g/L

θ室温

Jk2 ～ 4 A/dm2

t依厚度而定

2. 2. 6. 2氰化镀银

AgCN25 ～ 35 g/L

KCN（游离）30 ～ 50 g/mL

（NH4）2S2O31 g/L

K2CO318 ～ 30 g/L

θ室温

Jk0.3 ～ 0.6 A/dm2

t依厚度而定

3　钛合金零件镀铜、银的结合力

3. 1 方案一

采用方案一制备的铜层、银层都会起泡，并且一擦即脱落，结合力不良。这是因为阳极除油后零件表面会生成蓝色氧化膜，虽然硝酸-氢氟酸腐蚀可除去零件表面氧化膜和提高表面粗糙度，但腐蚀后零件表面粗糙度增大的幅度很小，对提高镀层结合力不起作用，加之后续工序会再次形成氧化膜，不利于镀层与基体之间的结合。

3. 2 方案二

本方案虽然在镀铜或银之前增加了冲击镀镍，但镀层仍存在起泡和一擦即脱落的问题。这是因为钛合金零件在冲击镀镍溶液中也会自然形成钝化膜，所以冲击镀镍对施镀表面无活化作用，对提高镀层结合力无多大作用。

3. 3 方案三

改用化学法对钛合金基体进行除油，结果表明铜层、银层结合力仍不理想。这是因为零件在化学除油液中的浸泡时间较长，加剧了零件表面钝化现象，因此改用化学除油对提高镀层结合力无效。

3. 4 方案四

对钛合金基体进行湿吹沙后再依次进行冲击镀镍、氰化镀银或铜。结果表明，铜层结合力基本良好，但部分铜层表面仍有起泡现象；银层结合力良好，无起泡现象。钢针划十字、井字处银层不脱落。

湿吹砂后，工件表面粗糙度增大，表面积增大2倍以上，对增强镀层结合力起重要作用，由于钛合金零件在氰化镀铜液中的覆盖能力较差，在较长时间内未沉积铜层的表面钝化倾向较大，使铜层结合力比银层稍低。

3. 5 方案五

依次对钛合金进行湿吹砂、保护和轻石灰除油后再酸性镀铜或氰化镀银，所得铜层和银层的结合力都优良，无起泡现象，钢针划十字、井字处镀层不脱落。

经湿吹砂的钛合金零件，镀前无需冲击镀镍就可获得结合力优良的镀层。另外，酸性镀铜液的覆盖能力好，克服了氰化镀铜液覆盖能力较弱的缺点。

4　钛合金零件电镀的含氢量控制

由于钛合金材料对氢敏感，英国罗罗公司给出的含氢量标准是一般零件不超过 0.015%，薄壁零件不超过0.008%。中国航空研究院606所给出的含氢量标准也是0.015%。钛合金材料易吸氢，在电镀初始阶段，若输入的电流优先产生析氢副反应，电镀表面未能及时覆盖镀层金属，会加剧零件表面的钝化现象，使镀层结合力降低。另外，氢的存在会降低基材的机械性能，并且除氢成本很高。因此在钛合金零件电镀过程中含氢量的控制特别重要，应确保零件电镀后含氢量不超标。可采用以下方法控制钛合金零件的含氢量：

（1） 不宜选择电解除油和酸腐蚀等预处理方式。笔者做过钛试片含氢量测试，依次对试片阴极除油2 min、硝酸-氢氟酸腐蚀20 s和氰化镀银10 min，发现镀银后试样的含氢量比原材料多了20%。若试片湿吹砂后直接镀银10 min，则含氢量基本保持镀前水平。这说明镀前阴极除油和酸腐蚀是吸氢的主要环节。因此不宜选择电解除油和酸腐蚀对钛合金零件进行镀前处理。

（2） 为保证钛合金零件电镀后含氢量不超标，应采用电流效率较高的氰化镀银、酸性镀铜槽液进行电镀。采用这2种镀液电镀时，零件表面基本看不到析氢现象。

（3） 选用覆盖能力较好的镀液，以便镀层在短时间内完全覆盖基体表面，阻挡氢的内渗。

（4） 采用带电入槽方式，并在初始时施加1 ～ 2 A/dm2冲击电流，有利于减少吸氢。

（5） 镀前不采用冲击镀镍也有利于减少吸氢。

此外，电镀槽液应定期化验。电镀人员应经过培训，熟练掌握钛合金电镀的操作技能后才能上岗。同时还要控制零件的返修次数，规定零件第二次返修完工后进行真空除氢，避免多次返修造成直接经济损失。

5　注意事项

（1） 湿吹砂后零件表面要保持湿润状态，并采用软塑料袋包装。

（2） 湿吹砂后应尽可能在短时间（2 h）内进行镀铜、镀银。

（3） 非镀表面用蜡保护时，要确保施镀面不被蜡液污染。若施镀面沾上蜡层，可用木质刀具刮蜡，然后用棉球蘸上汽油擦除残存蜡，避免因使用钢质刀具刮蜡而产生亮斑。

（4） 应选用软毛刷进行轻石灰刷洗除油。

（5） 镀后对银层、铜层表面进行油封可有效减少镀层变色。

6　结语

生产实践表明，钛合金零件湿吹砂后氰化镀银和酸性镀铜工艺可行，都能保证镀层结合力合格及含氢量不超标。批产5年以来，钛合金零件湿吹砂氰化镀银、湿吹砂酸性镀铜的一次交检合格率都在98%以上。返修零件的主要故障是镀层厚度超标、划伤、变色等，并非结合力不良。

［ 编辑：周新莉 ］

Process for electroplating copper and silver on titanium alloy

// LIU Yu-min*， LI Peng， LI Ren-he

In order to eliminate the poor adhesion of copper and silver coatings prepared from cyanide bath on titanium alloy surface， five process schemes for copper and silver plating were designed through changing pretreatment methods of substrate. The optimal process flow is as follows： wet sand blowing， protection， degreasing by scrubbing with light lime， washing with cold water， acid copper plating or cyanide silver plating， washing with cold water again， and drying with compressed air. The production practice showed that all of the products prepared by the given process have qualified adhesion and their hydrogen contents are under the control level. The method for controlling hydrogen content in titanium alloy and some points for attention were described.

titanium alloy； copper； silver； electroplating； wet sand blowing； adhesion； hydrogen content

TQ153.14； TQ153.16

A

1004 - 227X （2015） 01 - 0030 - 04

2014-07-13

2014-11-02

刘玉敏（1968-），女，山东青岛人，工程师，主要从事航空零件表面处理工作。

作者联系方式：（E-mail） 1752593028 @qq.com。