鈦合金鍍乳白鉻預鍍層的隱患分析與預防

李成龍 劉玉燕 劉吉飛 張起富 南偉（大連長豐實業(yè)總公司，遼寧大連116038）

0 引言

鈦合金比強度高、力學性能好，但硬度低，耐磨性差，航空修理多使用鍍硬鉻提高其硬度和耐磨性。在鈦合金鍍硬鉻之前需進行鍍乳白鉻打底，由于乳白鉻預鍍層的孔隙率比硬鉻鍍層低，其硬度也比硬鉻鍍層低，可對需要良好氣密性的零件進行防護，不容易出現(xiàn)鍍鉻網(wǎng)紋，隨著厚度的增加而氣孔率減少。

從鍍硬鉻的特性上分析，由于硬鉻沉積過程中，晶粒間存在較大應力，易出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，但實際生產中，要控制乳白鉻不出現(xiàn)網(wǎng)紋，以減少鍍鉻網(wǎng)紋的增加和延伸，使得鍍鉻網(wǎng)紋控制在性能允許的范圍內。本次研究采用鈦合金鍍鉻后的熒光探傷、金相檢測和SEM 掃描電鏡檢測，分析網(wǎng)紋產生原因以及影響，同時分析乳白鉻后熱處理對結合強度的影響，由于熱處理后會形成氧化物，需進行吹砂處理，因乳白鉻層較軟，硬度只有（400～500）HV，本次試驗優(yōu)化吹砂的工藝參數(shù)，保證乳白鉻預鍍層完整，提高鍍硬鉻的前處理質量。

1 試驗結果與分析

1.1 乳白鉻網(wǎng)紋分析

按技術標準對試片1#～20#、試棒1#～20#進行鍍乳白鉻處理。其中，試片1#～10#、試棒1#～10#繼續(xù)鍍鉻處理，其他試驗件同槽處理后待用。經(jīng)過熒光探傷發(fā)現(xiàn)，試棒2#、3#、4#、7#、9#的邊緣處網(wǎng)紋明顯，試片1#、4#、5#、6#邊緣部位也存在相對試棒微小的網(wǎng)紋。圖1為試棒的熒光探傷照片，網(wǎng)紋只出現(xiàn)在試棒的電鍍根部，即臨近絕緣區(qū)域，試片網(wǎng)紋也相對集中在邊緣。采用S-4800冷場發(fā)射掃描電鏡，觀察試片鍍鉻層截面形貌，從圖2中可以看出明顯的鍍鉻網(wǎng)紋，網(wǎng)紋從乳白鉻預鍍層和鈦合金基體的截面處開始，并進一步延伸。

檢測試片11#～20#、試棒11#～20#邊緣處的乳白鉻預鍍層厚度，試棒的厚度為（18～33）μm，試片的厚度（24～37）μm，進行熒光探傷檢測發(fā)現(xiàn)，乳白鉻厚度超過25μm，逐漸可觀察出網(wǎng)紋，當接近30μm后網(wǎng)紋明顯。記錄位置，繼續(xù)吹砂、鍍鉻處理，經(jīng)過熒光探傷以及SEM 掃描電鏡檢測，鍍鉻網(wǎng)紋現(xiàn)象復現(xiàn)，與1#～10#網(wǎng)紋狀態(tài)相近。

由于厚度增加導致網(wǎng)紋增多，所以要降低鍍層厚度。保持電流密度及溫度等參數(shù)不變，采用陰極保護分散電流方式，縮短乳白層預鍍層厚度，對試片21#～30#、試棒21#～30#進行鍍乳白鉻處理。檢測試棒發(fā)現(xiàn)，試棒鍍乳白鉻邊緣的厚度（17～22）μm，試片邊緣厚度為（12～23）μm，再次熒光探傷未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)紋，鍍鉻后的掃描電鏡圖像顯示出網(wǎng)紋明顯減少，尤其是未發(fā)生在鍍乳白鉻的過程中，這說明厚度降低可以保證乳白鉻無裂紋故障出現(xiàn)，同時減少鍍鉻裂紋。

圖1 試棒邊緣處網(wǎng)紋

圖2 試片截面SEM形貌

1.2 乳白鉻結合強度分析

利用退鍍試件研究真空熱擴散退火對乳白鉻預鍍層的結合強度影響，選取試片15件鍍乳白鉻后進行真空熱擴散退火再進行鍍鉻，與直接鍍鉻的15件試片進行結合強度對比，乳白鉻平均厚度為15μm。

采用拉拔法（拉伸速度1mm/min）測試兩組乳白鉻層的結合強度，直接鍍鉻的結合強度為（14～21）MPa，經(jīng)過熱處理的結合強度為（16～26）MPa，結合強度相接近，未體現(xiàn)明顯的結合強度優(yōu)勢。在避免鍍層過氧化的前提下，實際生產中可執(zhí)行工藝要求“TC1、TC2的鈦合金零件鍍乳白鉻之后可不進行熱擴散退火”。

1.3 乳白鉻厚度損失分析

實際生產中，采取60 目剛玉砂在（0.3～0.5）MPa 的壓力下進行吹砂處理，乳白鉻均存在一定的厚度損失，損失約（5～15）μm，較厚的鍍層因存在應力，吹砂后漏出底層，產品的中間位置厚度較薄，更容易漏底層。鍍鉻前，鍍乳白鉻預鍍層厚度應為（5～15）μm，吹砂前應提高厚度余量，同時避免厚度增加鍍鉻網(wǎng)紋，所以應控制鍍乳白鉻在（15～25）μm，通過試驗選取最佳的砂粒目數(shù)和吹砂壓力，保證厚度損失最小、結合力效果最優(yōu)。

針對不同位置的鍍乳白鉻吹砂試驗，壓力增加，厚度明顯降低，采用較低壓力操作更易控制厚度，用60目砂粒吹砂后，厚度降低最多，用180目砂粒吹砂后，雖然厚度降低最少，但部分試件的乳白鉻表面出現(xiàn)吹砂不均勻、需要重復吹砂進而影響結合力的問題，采用0.2MPa～0.3MPa、120目的吹砂效果最佳，即使乳白鉻氧化稍重，增加吹砂時間，也無明顯的損失和漏出底層現(xiàn)象，厚度均滿足（5～15）μm的要求。

2 結語

（1）由于鍍鉻層存在應力，鍍鉻的網(wǎng)狀裂紋是不可避免的。但是，當乳白鉻預鍍層厚度超過25μm時，乳白鉻層陸續(xù)出現(xiàn)網(wǎng)紋，并隨著厚度的增加，數(shù)量明顯增多，這會影響鍍硬鉻后的網(wǎng)紋數(shù)量，軸類零件鍍乳白鉻可設置陰極保護，分散尖端電流，控制鍍乳白鉻在（15～25）μm。

（2）經(jīng)過熱擴散處理的乳白鉻預鍍層，鍍鉻后的結合強度與未經(jīng)熱處理無明顯差異，針對TC1、TC2的鈦合金零件鍍乳白鉻之后可不進行熱擴散退火。

（3）由于吹砂會去除較軟的乳白鉻層，乳白鉻損失約（5～15）μm,所以吹砂前應控制鍍層厚度在（15～25）μm，電鍍前應利用120目的剛玉砂在0.2MPa～0.3MPa進行吹砂處理，減少鍍層損失，以滿足（5～15）μm的厚度要求。