TA15钛合金化学镀镍问题分析与改进方法研究.pdf

探索研究 RESEARCH AND DEVELOPMENTTA15钛合金化学镀镍问题分析与改进方法研究靳磊1,2,3，镇咸生1，靳艳智4，周宏标1，刘晖1，汪祥1（1.中国航发贵州黎阳航空动力有限公司 技术中心，贵阳550014；2.中国航空制造技术研究院 先进表面技术航空科技重点实验室 北京100024；3.中国航空制造技术研究院 高能束流加工技术国家级重点实验室，北京100024；4.中国航发贵阳发动机研究所，贵阳550081）Analysis and Improvement of Chemical Plating Nickel onTA15 Titanium Alloy Parts摘要：航空发动机领域钛合金部件使用较多的化学镀 Ni 处理工艺，但目前工厂中依然存在质量不太稳定。化学镀Ni槽使用一段时间后，产品表面会存在不同形状的缺陷，因此本研究主要目的是调查这些缺陷类型，深入分析缺陷产生的原因尤其是找到对应的解决措施。从前处理、槽液控制、搅拌、加热等角度提出改良方案，研究结果表明，适当的前处理、镀液槽、工艺流程的改良，使外观质量进一步提升；镀层表面形貌更加完美，更加符合产品验收标准，使目前批量产品从过去的合格率95.1%提高到目前的99.3%。关键词：钛合金TA15；化学镀镍；问题分析；工艺改进中图分类号：TQ630文献标识码：A文章编号：2096-8639(2023)08-0044-06Jin Lei1,2,3,Zhen Xiansheng1,Jin Yanzhi4,Zhou Hongbiao1,Liu Hui1,Wang Xiang1(1.Technology Research Center,Liyang Aero Power Co.,Ltd.,AECC,Guiyang 550014,China;2.TheAviation Key Laboratory of the Advanced Surface Engineer Technology,AVIC ManufacturingTechnology Institute,Beijing 100024,China;3.Science and Technology on Power Beam ProcessLaboratory,AVIC Manufacturing Technology Institute,Beijing 100024,China;4.Guiyang EngineResearch Institute,AECC,Guiyang 550081,China)0 引言化学镀镍层具有高耐腐蚀性、高耐磨性、高均匀性、高硬度等优点，广泛应用于军工领域，比如航空发Abstract:Titanium alloy parts in aero engine field use more chemical plating Ni process,butthe quality is still not very stable in the factory,chemical plating Ni bath used for a period oftime,the product surface will have different shapes of defects,so the main purpose of this study isto investigate these defect types and involved reasons so as to find out the corresponding solutions.The improvement plan is proposed from the perspectives of pretreatment,bath control,agitationand heating.The research results show that the improvement of proper pretreatment,bath and processprocess further improve the appearance quality.The surface morphology of the coating is moreperfect,and it is more in line with the acceptance standard of the product.The qualified rate ofthe current batch products is increased from 95.1%to 99.3%.Keywords：titanium alloy TA15;chemical plating;problem analysis;process improvement涂层与防护第44卷第8期2023年8月Vol.44 No.8Aug.2023COATING AND PROTECTION44探索研究 RESEARCH AND DEVELOPMENT动机的转轴、套筒、作动筒、活塞、筒体、衬筒等零部件，起到保护零件作用，如增加钛合金的硬度，降低钛合金运动部件的摩擦损耗，进而提高运动机构的气密性、提高零件表面防腐能力、增加零部件的储油等能力1-4。化学镀镍技术在传统电器、机械、汽车等行业用的基体材料一般为钢质，如镁合金5-7、Cr12MoV 模具钢9、碳锰钢10、聚酯纤维11等。但航空行业采用钛合金更为广泛，航空发动机按照质量算，钛合金用料甚至是钢质材料的 200 倍以上，但钛合金也有自身的特点，比如耐摩擦性能差、表面氧化皮清理难、机械加工粘刀、表面处理难和惰性强难腐蚀等特点，因此钛合金表面化学镀 Ni 较传统钢质零件等更难。目前工厂使用的化学镀 Ni 的组分主要参考碳钢、不锈钢等材料化学镀工艺12-14，但钛合金化学镀的温度较碳钢、不锈钢高得多，因此传统化学镀镍配方在高溶液温度下更容易分解。加上航空发动机对化学镀 Ni 质量要求更高，又由于钛合金零部件化学镀 Ni 的大批量产要求，因此对钛合金化学镀 Ni 的稳定性要求更为苛刻15-18。针对钛合金的运动机构表面化学镀 Ni 存在的质量缺陷，通常有如下6方面影响：(1)密封性差，发生漏油故障；(2)镀 Ni 层脱落成为异物进入作动筒内部管路，可能引起堵塞；(3)脱落的镀层异物可能损伤零部件的密封圈、橡胶垫等非金属件；（4）表面粗糙度差异大，影响部分零部件配合、运动机构的运动及零部件的装机；（5）表面缺陷降低产品合格率，外观差，影响交付；（6）镀层质量差，甚至影响飞行安全。在航空发动机活塞杆部等镀镍层生产加工中，有时会存在局部脱落、点状缺陷和银亮斑状缺陷等，为确定缺陷性质及产生原因，本研究需要对零件表面进行缺陷分析。基于以上背景，本研究重点讨论 TA15 钛合金零件化学镀 Ni 的质量缺陷，以期为今后航空发动机产品大批量生产提供数据支撑、技术支持。1实验方法1.1 试样及表面处理工艺试验用材料为钛合金 TA15，化学镀 Ni 工艺主要有 21 个步骤：检查外观是否有磕碰、缺肉等缺陷有机溶剂预除油松动氧化皮流动冷水洗超声波清洗流动冷水洗压缩空气吹干湿吹砂装挂与绝缘化学除油热水洗涤流动冷水洗涤HF酸腐蚀混酸腐蚀氢化化学镀 Ni流动冷水洗涤压缩空气吹干热处理卸挂检验。其中化学镀镍的温度为 7398，镀液主要成分为 NiSO4 7H2O(2025 g/L)、CH3OONa(812 g/L)、NaH2PO2(1520 g/L)、Na3C6H5O7 7H2O(812 g/L)，pH(45)。1.2性能检测(1)宏观形貌根据航空工业标准 HB50381992 镍镀层质量检验 及 HB/Z 50712004 化学镀镍工艺及质量检验 进行观察分析，采用目视法与 10 倍放大镜相结合进行外观观察，看是否有严重色差、斑点、黑点、烧焦、粗糙、针孔、麻点、分层、起泡、起皮、脱落等缺陷。(2)SEM采用德国 Zeiss MERLIN Compact 型扫描电子显微镜(SEM)观察镀 Ni 层的表面和截面形貌，同时用附带的能谱仪(EDS)分析镀层成分。2结果与讨论2.1表面缺陷宏观形貌对比将作动筒活塞表面缺陷对应位置先做好标记，然后线切割下来进行拍照分析。部分活塞缺陷位置、外观形貌见图 1，可见缺陷呈点状、凹坑和银亮斑状等多种形态。2.2 微观形貌分析将切割下来的作动筒零部件局部缺陷进行分析，尤其重点关注脱落、点坑、疑似腐蚀痕迹等处，结果如图2所示。缺陷可基本分为如下6类。（1）嵌入型缺陷：表面高度高于正常表面，嵌入颗粒表面未见明显的机加痕迹，缺陷周围可见明显的机加痕迹，典型形貌见图2（a）；（2）脱落型缺陷：缺陷底部呈脱落特征，周围存在原始镀镍层形貌和机加后正常镀镍层形貌，均可见明显的机加痕迹，典型形貌见图2（b）；（3）银亮斑状缺陷：表面高度与正常表面齐平，表面更光滑，存在明显的机加痕迹，典型形貌见图 2（c）；靳磊，等：TA15钛合金化学镀镍问题分析与改进方法研究45探索研究 RESEARCH AND DEVELOPMENT（a）脱落型（b）嵌入型（c）浮凸型（d）点状型（e）凹坑型图1 零部件缺陷的典型形貌Fig.1 Typical morphology of defects on parts（4）浮凸型缺陷：浮凸表面可见明显的机加痕迹，周围表面的高度较低、无机加痕迹、仍保留镀镍层的原始形貌，典型形貌见图2（d）；（5）凹坑型缺陷：凹坑底部呈镀镍层原始形貌，较深处存在脏物质，典型形貌见图2（e）；（6）点状缺陷：凹坑底部呈镀镍层原始形貌，较深处存在脏物质，典型形貌见图2（f）。（e）凹坑型缺陷（f）点状缺陷图2典型缺陷（6种）微观形貌Fig.2 Micromorphology of typical defects on parts（a）嵌入型缺陷（b）脱落型缺陷（c）银亮斑状缺陷（d）浮凸型缺陷靳磊，等：TA15钛合金化学镀镍问题分析与改进方法研究46探索研究 RESEARCH AND DEVELOPMENT2.3能谱成分分析分别对 6 类缺陷、镀镍层原始表面及正常表面进行能谱成分分析，结果统计见表1。表1 几种缺陷处的能谱成分分析（质量分数）Tab.1 Component analysis of typical defetcts%位置a-嵌入型缺陷b-脱落型缺陷c-银亮斑状缺陷d-浮凸型缺陷e-凹坑型缺陷-深处脏物质f-点状缺陷-凹坑处脏物质镀镍层原始表面正常镀镍层表面元素C1.3049.5048.30O49.433.3128.3127.11Al50.57P9.807.755.050.540.448.417.56Ti1.89Ni87.0192.2591.6411.3712.4491.5992.44Mg3.703.60Si0.26S0.260.88Ca6.067.23(1)a-嵌入型缺陷黑色点状缺陷，微观呈现两种形貌：一种为坑状、一种为颗粒状。颗粒状故障，综合分析认为是化学镀镍槽液分解产生的镍磷合金小颗粒附着在镀层表面而形成的。能谱分析的结果表明，嵌入型缺陷中嵌入颗粒成分为O和Al。(2)b-脱落型缺陷坑状脱落底部有污染物，缺陷周围呈镀镍层的原始形貌。与正常部位相比，含有 C 和 Ti 元素，其中 C元素为污染物质，Ti 元素是材料基体局部裸露，结合机加痕迹，分析认为坑状脱落缺陷是在机加过程中脱落所致。(3)c-银亮斑状缺陷对局部光泽不一部位检查，发现光泽不一部位成分与周围主体一致，均为镍磷合金，由于粗糙度不同而呈现不同的光亮度。原因是由于在化学镀镍过程中，零件相互接触，接触部位不利于槽液的流动，导致局部槽液浓度不一致，镀层晶粒大小不同，从而在接触部位镀层表面状态出现差异，宏观上表现出光泽不一致。(4)d-浮凸型缺陷块状浮凸边界局部位置存在堆积状小颗粒，缺陷表面和正常表面都存在明显的机加痕迹，结合能谱分析可知，块状缺陷与正常镀层成分相近。小颗粒含Ni、O、P 元