Ti55531鈦合金彈性零件鍍鉻工藝研究

李博，肖文，李濤，王小偉

（中航飛機起落架有限責任公司，陜西 漢中 723200）

Ti55531鈦合金是一種新型高強高韌β型合金，其名義成分為Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr。與Ti-1023合金相比，Ti55531鈦合金的冶煉和加工成本低，不會產生明顯的成分偏析，抗拉強度高，擁有良好的淬透性和加工性，適合制造承受大應力的零部件，常被用于結構件和起落架、機翼、發動機掛架之間的連接裝置，在航空航天工業中日益受到青睞[1-3]。筆者所在公司某新研型號飛機起落架的Ti55531鈦合金零件要求鍍鉻，本文參考TC18鈦合金的電鍍硬鉻工藝制定了3種鍍鉻工藝，并進行對比，以獲得滿足要求的最佳工藝。

1 鍍鉻工藝流程及性能要求

1.1 工藝流程

基材為國產 Ti55531鈦合金，氫含量≤0.015%，其化學成分(以質量分數計)為：Al 4.0% ～ 6.0%，Mo 4.5% ～ 6.0%，V 4.5% ～ 6.0%，Cr 2.0% ～ 3.6%，Fe 0.2% ～ 0.5%，Zr 0.3% ～ 2.0%，雜質≤0.30%，Ti余量。

工藝1：鍍前驗收→除油→水洗→吹砂→水洗→裝掛和保護→除油→水洗→酸腐蝕→水洗→鍍硬鉻→除氫。

工藝2：在鍍硬鉻之前增加鍍乳白鉻工序，其余與工藝1相同。

工藝3：鍍硬鉻之前增加“鍍乳白鉻→真空熱擴散退火→吹砂→水洗”工序，其余與工藝1相同。

鍍前處理是為了設法去除基體表面鈍化膜，抑制新鈍化膜的生成，確保在活化的鈦合金表面鍍鉻[4-6]。鍍后真空熱擴散退火是利用金屬鍍層在高溫條件下會通過擴散與基體形成牢固的金屬鍵的特性來增強鍍層結合力[7]。

1.1.1 鍍前驗收

零件的表面性能應符合HB 5034-1995《零(組)件鍍覆前質量要求》的規定。

1.1.2 除油

氫氧化鈉 60 ～ 80 g/L，碳酸鈉 30 ～ 50 g/L，磷酸鈉 30 ～ 50 g/L，硅酸鈉 10 ～ 30 g/L，溫度 75 ～ 95 °C。

1.1.3 水洗

先在40 ～ 60 °C的溫水中清洗，然后用流動水沖洗。清洗后零件表面應完全被水浸潤，即在30 s內有連續的水膜。

1.1.4 吹砂

吹砂能夠去除鈦合金基體表面的氧化層，并粗化基體表面，實現基體與鍍層的機械結合。在0.3 ～ 0.5 MPa的風壓下，分別采用直徑(d)為100 ～ 150 μm和50 ～ 60 μm的氧化鋁進行干吹砂，不允許砂滯留在任何部位[8]。吹砂后基體表面粗糙度(Ra)控制在0.2 ～ 0.4 μm范圍內為佳。

1.1.5 裝掛和保護

采用專用或通用夾具裝掛，裝掛時避免工件重疊以及在電鍍過程中產生氣袋，保證導電良好。對內孔或其他容易被屏蔽的零件區域進行電鍍時，應根據零件的幾何外形和特點使用象形輔助陽極?？梢圆捎糜袡C玻璃、塑料薄膜等非金屬材料對零件非鍍區域進行保護后再裝掛。

1.1.6 酸腐蝕

69%濃硝酸400 ～ 480 mL/L，40%氫氟酸35 ～ 87 mL/L，十二烷基硫酸鈉(新配槽時添加)1 g/L，溫度10 ～35 °C，時間 2 ～ 5 min。

采用美國Leco ONH836分析儀檢測酸腐蝕前、后基體的氫含量，要求酸腐蝕后增氫量不大于0.003%。另外酸腐蝕后單面腐蝕量(即厚度差)應為5 ～ 10 μm。

1.1.7 鍍鉻

鍍鉻液組成：鉻酸酐225 ～ 250 g/L，濃硫酸2.25 ～ 2.50 g/L。

鍍乳白鉻時溫度為70 ～ 80 °C，放入鍍槽的零件應預熱，不通電保持2 ～ 5 min。先在100 ～ 150 A/dm2下沖擊鍍1 ～ 2 min，接著降低電流密度至30 ～ 40 A/dm2電鍍1 h，乳白鉻層的厚度即可達到要求的5 ～ 15 μm。

鍍硬鉻時溫度為50 ～ 60 °C，放入鍍槽的零件應預熱，不通電保持2 ～ 5 min。先在電流密度5 ～ 10 A/dm2下電鍍 3 ～ 5 min，再逐步提高電流密度至 45 ～ 55 A/dm2電鍍 1.0 ～ 1.5 h，硬鉻層的厚度即可達到要求的 40 ～ 60 μm。

1.1.8 真空熱擴散退火

保持真空度為 0.067 ～ 0.670 Pa，先在 280 ～ 300 °C 下退火 1 h，再在 550 ～ 600 °C 下退火 1 h，隨爐冷卻至 200 ～ 250 °C 后空冷。

1.1.9 除氫

置于(190 ± 10) °C的烘箱中除氫12 h以上。

1.2 鍍層性能檢測與要求

1.2.1 外觀

乳白鉻為乳白色，表面均勻致密、無針孔和分層；經真空熱擴散退火后，乳白鉻應為均勻的灰色，無氧化色和明顯的裂紋網格，允許鍍層發暗，但不允許有鼓泡和分層。硬鉻為稍帶淺藍色的亮灰色，表面應光滑平整，不允許有樹枝狀結晶、鼓泡、脫落和分層。

1.2.2 結合力

按HB 5041-1992《硬鉻、乳白鉻鍍層質量檢驗》，采用磨削法檢測鍍層結合力。進行正常加工(磨、研磨、搪磨等)的零件或試樣，在加工后鍍層無起皮、脫落即認為結合力合格。

1.2.3 顯微硬度

采用HMV-G-FA-D型顯微維氏硬度計測試，載荷100 g ，加載時間10 ～ 15 s，顯微硬度不低于700 HV。

1.2.4 孔隙率

按照HB 5041-1992，采用貼濾紙法檢測孔隙率，要求孔隙率不超過5個/dm2。

2 鍍層性能

為了驗證工藝的穩定性，分別在4月、5月和6月采用3種工藝對TC18鈦合金電鍍鉻，并檢測它們的性能，結果見表1。

表1 不同工藝的鍍鉻層性能測試結果Table 1 Property testing results of chromium coatings electroplated by different processes

2.1 結合力

工藝1和工藝2的部分試樣在磨加工后出現鉻鍍層起皮和脫落現象，工藝3的鉻鍍層結合力全部合格。如圖3所示，采用蔡司AX10金相顯微鏡放大200倍觀察可知，經真空退火后部分乳白鉻已擴散到鈦合金基體中，因此其結合力較好。

圖1 真空熱擴散后的乳白鉻層的截面金相照片Figure 1 Cross-sectional metallograph of milky white chromium coating after thermal diffusion under vacuum condition

2.2 顯微硬度

采用工藝1、工藝2和工藝3電鍍所得鉻層的平均顯微硬度分別為787、768和796 HV，均高于700 HV，都合格。

2.3 孔隙率

采用工藝1電鍍所得試樣的孔隙率為8個/dm2，不合格；工藝2和工藝3試樣的孔隙率均為1個/dm2，都合格。推斷工藝2和工藝3中的乳白鉻鍍層有助于減少鍍層孔隙率。

3 零件的電鍍

綜上可知，采用工藝3電鍍所得的鉻鍍層的各項性能都滿足要求，因此選擇工藝3。圖2為采用該工藝電鍍的某型號Ti55531鈦合金零件，可見鍍層外觀合格。隨機取8個該型號零件，測得鍍層平均厚度為40 ～60 μm，交付某研究所進行功能性測試，結果顯示鉻鍍層的性能完全滿足設計要求。

圖2 鍍鉻Ti55531鈦合金零件外觀Figure 2 Appearances of chromium electroplated Ti55531 titanium alloy parts