钛合金电镀铜结合力研究＊

郭梁，张洪亮，白煜昊，张思诺

钛合金电镀铜结合力研究＊

郭梁，张洪亮，白煜昊，张思诺

（沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110136）

钛合金具有很强的化学活性，前处理工艺在其表面电镀时非常关键。通过设计4因素3水平的正交试验研究了酸洗和活化前处理工艺对TC4合金电镀铜结合力的影响。采用划痕实验测量了镀层的结合力。实验结果表明，电镀铜的结合力随酸洗液中硝酸含量的增加而降低，随酸洗时间的增加而降低，随活化液中二甲基酰胺含量的增加而增加，随活化时间的推移先降低后增加。对TC4合金电镀铜结合力的4种影响因素从大到小的排列顺序为活化液成分、酸洗时间、活化时间、酸洗液成分。

TC4合金；电镀铜；结合力；正交实验

钛合金具比强度高、耐热及耐腐蚀等优点，被称为“太空金属”，在航空航天、石油化工及汽车等领域具备广阔的应用前景[1-3]。但是钛合金硬度低、耐磨性差和易粘着的缺点限制了其自身应用。电镀铜可以明显改善其耐磨性差和易高温粘着的缺点[4-6]。由于钛的化学活性相当高、易钝化，因此电镀时的前处理工艺非常关键[7-8]。本文选用TC4合金，通过设计4因素3水平的正交实验研究酸洗和活化工艺对钛合金表面电镀铜结合力的影响。

1 实验材料和方法

本实验所选材料为TC4合金，首先将基材线切割加工成20 mm×20 mm×2 mm的样品，然后在样品边缘居中钻1个Φ2.5 mm的孔，以便电镀时悬挂。分别用240#、400#、800#、1000#的砂纸对样品表面进行打磨并倒角，用等离子水冲洗，再用丙酮超声波清洗，吹干后备用。实验工艺流程为：样品→冷水洗→碱洗除油→冷水洗→酸洗→冷水洗→活化→冷水洗→电镀铜→冷水洗→吹干→结合力测试。

本实验所采用的碱洗工艺为30 g/L的NaOH，25 g/L的Na2CO3，30g/L Na3PO4，温度80 ℃，时间10min。接下来通过调整酸洗液成分、酸洗时间、活化液成分和活化时间，设计了4因素3水平的正交试验。其中酸洗液的3种成分如表1所示，酸洗时间分别选用1 min、2 min和3 min。活化液的3种成分如表2所示，活化时间分别选用1 min、3 min和5 min。酸洗和活化的温度均为25 ℃。电镀铜工艺采用200 g/L的CuSO4·5H2O，80 mL/L的H2SO4（98%），电流密度2 A/dm2，温度25 ℃，时间30 min，电解铜为阳极。划痕实验过程为首先居中在镀铜样品上划出4条横线、7条竖线，获得16个尺寸为3 mm×4 mm的矩形，需划透镀铜层。然后用胶带粘镀层并进行打分，每粘掉一个矩形上的镀铜层扣1分，满分18分，最低0分。

表1 酸洗液成分表

序号HNO3（65%）/（g/L）HF（40%）/（g/L） 12005 23005 34005

表2 活化液成分表

序号二甲基酰胺/（mL/L）HF（40%）/（mL/L） 124060 225050 325743

2 实验结果和讨论

通过正交试验，并对电镀铜涂层的结合力进行测量，获得的镀层结合力数值及其分析如表3所示。

对比各因素下 K1，K2和K3的数值可以发现，电镀铜的结合力随酸洗液中硝酸含量的增加而降低，随酸洗时间的延长而降低。这是因为酸洗过程的目的是去除钛合金表面的氧化物膜，使钛合金表面露出新鲜基体[9]，由硝酸和氢氟酸组成的酸洗液中起主要作用的是氢氟酸，加入硝酸是为了抑制基体金属的吸氢量[10]，因此增加硝酸的含量会降低酸洗的效果，使镀层结合力下降。随酸洗时间的延长，由于反应消耗使酸洗液中氢氟酸的浓度不断降低，导致酸洗效果减弱。本实验得出的最佳酸洗工艺为酸洗液成分1，酸洗时间为 1 min。

同时，电镀铜的结合力随活化液中二甲基酰胺含量的增加而增加，随活化时间的延长先降低后增加。活化的目的是去除TC4合金表面的氧化膜，在合金表面生成一层过渡层以阻止新的氧化膜生成。本实验活化生成的过渡层为TiF3，在反应生成TiF3的同时伴随有大量的H2析出。二甲基酰胺作为缓蚀剂可以降低反应的剧烈程度，减少析氢的量，从而有利于TiF3层在钛合金表面形成。在活化初期，由于二甲基酰胺的量充足，析氢现象得到控制，活化效果较好。随着活化的进行，二甲基酰胺的量不断减少，析氢加速，活化的效果减弱。活化反应时间较长时，由于硝酸的量也不断减少，析氢量再次降低，活化效果得到提升。本实验得出的最佳活化工艺为活化液成分2，活化时间1 min。

表3中的为极差，根据的大小可以判断各因素对实验结果的影响大小，即极差越大，所对应的因素越重要；反之，所对应的因素越次要。由此可以确定本实验中对电镀铜结合力影响最大对因素是活化液成分，其次是酸洗时间，再次是活化时间，影响最小的是酸洗液成分。

表3 正交实验分析表

试验号因素实验结果 A酸洗液B酸洗时间/minC活化液D活化时间/min镀层结合力（Y） 1成分11成分1114.5 2成分12成分2312 3成分13成分3516.5 4成分21成分2516.5 5成分22成分3115 6成分23成分133.5 7成分31成分3318 8成分32成分1510.5 9成分33成分2115.5 镀层结合力（Y）Ⅰ434928.545 Ⅱ3537.54433.5 Ⅲ3435.549.543.5 K114.316.39.515 K211.712.514.711.2 K311.311.816.514.5 R34.573.8

3 结论

通过正交实验研究，在TC4合金表面获得结合力最佳的电镀铜涂层的酸洗和活化工艺为：酸洗液成分1，酸洗时间1 min；活化液成分2，活化时间1 min。

对TC4合金电镀铜结合力的影响从大到小的因素为活化液成分＞酸洗时间＞活化时间＞酸洗液成分。

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TQ153.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.023

2095－6835（2019）23－0058－02

郭梁（1997—），男，河南偃师人，研究方向为钛合金的腐蚀及表面防护。

辽宁省自然科学基金项目（编号：20170540688）；沈阳航空航天大学大学生创新创业训练计划项目（编号：201810143016）

〔编辑：张思楠〕