鈦合金電鍍銅結(jié)合力研究＊

郭梁，張洪亮，白煜昊，張思諾

鈦合金電鍍銅結(jié)合力研究＊

郭梁，張洪亮，白煜昊，張思諾

（沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110136）

鈦合金具有很強的化學活性，前處理工藝在其表面電鍍時非常關(guān)鍵。通過設計4因素3水平的正交試驗研究了酸洗和活化前處理工藝對TC4合金電鍍銅結(jié)合力的影響。采用劃痕實驗測量了鍍層的結(jié)合力。實驗結(jié)果表明，電鍍銅的結(jié)合力隨酸洗液中硝酸含量的增加而降低，隨酸洗時間的增加而降低，隨活化液中二甲基酰胺含量的增加而增加，隨活化時間的推移先降低后增加。對TC4合金電鍍銅結(jié)合力的4種影響因素從大到小的排列順序為活化液成分、酸洗時間、活化時間、酸洗液成分。

TC4合金；電鍍銅；結(jié)合力；正交實驗

鈦合金具比強度高、耐熱及耐腐蝕等優(yōu)點，被稱為“太空金屬”，在航空航天、石油化工及汽車等領(lǐng)域具備廣闊的應用前景[1-3]。但是鈦合金硬度低、耐磨性差和易粘著的缺點限制了其自身應用。電鍍銅可以明顯改善其耐磨性差和易高溫粘著的缺點[4-6]。由于鈦的化學活性相當高、易鈍化，因此電鍍時的前處理工藝非常關(guān)鍵[7-8]。本文選用TC4合金，通過設計4因素3水平的正交實驗研究酸洗和活化工藝對鈦合金表面電鍍銅結(jié)合力的影響。

1 實驗材料和方法

本實驗所選材料為TC4合金，首先將基材線切割加工成20 mm×20 mm×2 mm的樣品，然后在樣品邊緣居中鉆1個Φ2.5 mm的孔，以便電鍍時懸掛。分別用240#、400#、800#、1000#的砂紙對樣品表面進行打磨并倒角，用等離子水沖洗，再用丙酮超聲波清洗，吹干后備用。實驗工藝流程為：樣品→冷水洗→堿洗除油→冷水洗→酸洗→冷水洗→活化→冷水洗→電鍍銅→冷水洗→吹干→結(jié)合力測試。

本實驗所采用的堿洗工藝為30 g/L的NaOH，25 g/L的Na2CO3，30g/L Na3PO4，溫度80 ℃，時間10min。接下來通過調(diào)整酸洗液成分、酸洗時間、活化液成分和活化時間，設計了4因素3水平的正交試驗。其中酸洗液的3種成分如表1所示，酸洗時間分別選用1 min、2 min和3 min?；罨旱?種成分如表2所示，活化時間分別選用1 min、3 min和5 min。酸洗和活化的溫度均為25 ℃。電鍍銅工藝采用200 g/L的CuSO4·5H2O，80 mL/L的H2SO4（98%），電流密度2 A/dm2，溫度25 ℃，時間30 min，電解銅為陽極。劃痕實驗過程為首先居中在鍍銅樣品上劃出4條橫線、7條豎線，獲得16個尺寸為3 mm×4 mm的矩形，需劃透鍍銅層。然后用膠帶粘鍍層并進行打分，每粘掉一個矩形上的鍍銅層扣1分，滿分18分，最低0分。

表1 酸洗液成分表

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

表2 活化液成分表

序號二甲基酰胺/（mL/L）HF（40%）/（mL/L） 124060 225050 325743

2 實驗結(jié)果和討論

通過正交試驗，并對電鍍銅涂層的結(jié)合力進行測量，獲得的鍍層結(jié)合力數(shù)值及其分析如表3所示。

對比各因素下 K1，K2和K3的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，電鍍銅的結(jié)合力隨酸洗液中硝酸含量的增加而降低，隨酸洗時間的延長而降低。這是因為酸洗過程的目的是去除鈦合金表面的氧化物膜，使鈦合金表面露出新鮮基體[9]，由硝酸和氫氟酸組成的酸洗液中起主要作用的是氫氟酸，加入硝酸是為了抑制基體金屬的吸氫量[10]，因此增加硝酸的含量會降低酸洗的效果，使鍍層結(jié)合力下降。隨酸洗時間的延長，由于反應消耗使酸洗液中氫氟酸的濃度不斷降低，導致酸洗效果減弱。本實驗得出的最佳酸洗工藝為酸洗液成分1，酸洗時間為 1 min。

同時，電鍍銅的結(jié)合力隨活化液中二甲基酰胺含量的增加而增加，隨活化時間的延長先降低后增加?；罨哪康氖侨コ齌C4合金表面的氧化膜，在合金表面生成一層過渡層以阻止新的氧化膜生成。本實驗活化生成的過渡層為TiF3，在反應生成TiF3的同時伴隨有大量的H2析出。二甲基酰胺作為緩蝕劑可以降低反應的劇烈程度，減少析氫的量，從而有利于TiF3層在鈦合金表面形成。在活化初期，由于二甲基酰胺的量充足，析氫現(xiàn)象得到控制，活化效果較好。隨著活化的進行，二甲基酰胺的量不斷減少，析氫加速，活化的效果減弱?；罨磻獣r間較長時，由于硝酸的量也不斷減少，析氫量再次降低，活化效果得到提升。本實驗得出的最佳活化工藝為活化液成分2，活化時間1 min。

表3中的為極差，根據(jù)的大小可以判斷各因素對實驗結(jié)果的影響大小，即極差越大，所對應的因素越重要；反之，所對應的因素越次要。由此可以確定本實驗中對電鍍銅結(jié)合力影響最大對因素是活化液成分，其次是酸洗時間，再次是活化時間，影響最小的是酸洗液成分。

表3 正交實驗分析表

試驗號因素實驗結(jié)果 A酸洗液B酸洗時間/minC活化液D活化時間/min鍍層結(jié)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 鍍層結(jié)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 結(jié)論

通過正交實驗研究，在TC4合金表面獲得結(jié)合力最佳的電鍍銅涂層的酸洗和活化工藝為：酸洗液成分1，酸洗時間1 min；活化液成分2，活化時間1 min。

對TC4合金電鍍銅結(jié)合力的影響從大到小的因素為活化液成分＞酸洗時間＞活化時間＞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，河南偃師人，研究方向為鈦合金的腐蝕及表面防護。

遼寧省自然科學基金項目（編號：20170540688）；沈陽航空航天大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（編號：201810143016）

〔編輯：張思楠〕