FGH97鎳基粉末冶金高溫合金電鍍鉻

唐恩軍，張華軍，黃選民，李潔，喻善遠

（1.成都航利(集團)實業有限公司，四川 成都 611930；2.空裝成都局某軍事代表室，四川 成都 610500）

FGH97鎳基粉末冶金高溫合金具有強度高、抗疲勞、無宏觀偏析等特點[1]，廣泛應用于高性能航空發動機盤類零件的制造。但在使用過程中，粉末冶金高溫合金零件仍然存在磨損問題，隨著零件的持續使用，磨損越來越嚴重。為保證產品裝配尺寸，部分零件的磨損部位需要通過電鍍鉻來修復。由于FGH97粉末冶金高溫合金自身成分和冶金方法的特殊性，該類零件的電鍍鉻層往往結合力很差[2]。

本文研究了噴砂、活化、預鍍等電鍍前處理工藝以及電鍍工藝參數對FGH97粉末冶金高溫合金零件表面鍍鉻層結合力的影響，獲得了較佳的鍍鉻工藝，所得鉻鍍層結合力滿足該類零件的使用要求。

1 實驗

1.1 鍍鉻工藝流程

基體是50 mm × 100 mm × 1 mm的FGH97試片，原鍍鉻工藝流程為：有機溶劑除油→噴砂→補充除油→電鍍鉻→清洗。

1.2 鍍層性能測試方法

1.2.1 結合力

(1) 銼刀試驗：用銼刀從基體沿45°角銼向鍍層或用高速旋轉的砂輪對試樣邊緣進行磨削，磨削方向與銼刀方向相同，在完全露出基體與鍍層的斷面時鍍層無起皮、脫落現象視為結合力合格。

(2) 拉伸試驗：參考GB/T 31586.1-2015《防腐涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護 涂層附著力/內聚力(破壞強度)的評定和驗收準則 第1部分：拉開法試驗》，在美特斯C45.105拉伸試驗機上檢測鍍層與基體金屬之間的結合強度。

1.2.2 其他性能

采用北京同德創業TTC-TR300粗糙度儀檢測鍍層的表面粗糙度。采用奧林巴斯GX71倒置式系統金相顯微鏡觀察鍍層的金相結構。

2 結果與討論

2.1 噴砂工藝參數對鍍鉻層結合力的影響

2.1.1 噴砂壓力

采用80目白剛玉砂，保持噴砂角度為60° ～ 90°(下同)，在不同壓力下對FGH97粉末冶金高溫合金噴砂，然后在相同條件下電鍍鉻，最后用拉伸法檢測鍍層的結合力。從圖1可以看出，在其他條件相同的情況下，噴砂的最佳壓力為0.5 MPa。當噴砂壓力小于0.5 MPa時，鍍鉻層的結合力隨噴砂壓力增大而增大。噴砂壓力高于0.5 MPa后，隨噴砂壓力增大，鍍鉻層的結合力基本保持不變。噴砂時砂粒主要通過切削在基體表面形成凹坑來提高基體的表面粗糙度。隨著噴砂壓力的增大，基體表面凹坑的數量和深度增大，表面粗糙度隨之增大，一方面加大了基體與鍍層的貼合面積，另一方面在微觀結構上增加了基體與鍍層之間的機械咬合，從而提高了鍍層與基體之間的結合強度。當噴砂壓力較高時，砂粒切削基體形成凹坑與凸起的能力達到平衡，零件表面粗糙度不再隨噴砂壓力增大而增大。

圖1 噴砂壓力對鍍鉻層結合力的影響Figure 1 Effect of blasting pressure on adhesion of chromium coating

2.1.2 砂粒尺寸

在0.5 MPa的壓力下，分別采用不同粒度的白剛玉砂對FGH97粉末冶金高溫合金進行噴砂，然后在相同條件下電鍍鉻，以研究噴砂壓力對鍍鉻層結合力的影響，結果見圖2。隨砂粒目數增大(即砂粒直徑減小)，鍍鉻層的結合力減小。這主要是因為隨砂粒直徑減小，噴砂時基體表面形成的凹坑深度變小，噴砂后零件表面粗糙度減小，從而導致零件基體與鍍層之間的貼合面積減小了，基體與鍍層之間的機械咬合也減弱了。因此后續選用80目白剛玉砂在0.5 MPa的壓力下對基體噴砂。

圖2 砂粒尺寸對鍍鉻層結合力影響Figure 2 Effect of abrasive size on adhesion of chromium coating

2.2 活化對鍍鉻層結合力的影響

FGH97粉末冶金高溫合金表面鍍鉻層結合力差主要與其元素組成復雜有關，其中的Cr、Ni、Co、Al、Ti等元素在空氣中極易氧化而形成致密的氧化膜，這種膜具有極強的自修復能力，使得FGH97粉末冶金高溫合金的電鍍十分困難。因此，針對FGH97粉末冶金高溫合金的化學成分特點設計了以下4種活化配方：

(1) 配方A：鹽酸(密度1.19 g/cm3)50 ～ 100 g/L，3501添加劑40 ～ 50 g/L。

(2) 配方B：硝酸(密度1.42 g/cm3)100 ～ 200 mL/L，氫氟酸(密度1.19 g/cm3，下同)50 ～ 150 mL/L，3522添加劑2 ～ 5 g/L。

(3) 配方C：濃硫酸(密度1.84 g/cm3，下同)15% ～ 25%(體積分數)，氫氟酸3% ～ 10%(體積分數)，3500添加劑7 ～ 15 g/L。

(4) 配方D：濃硫酸30 ～ 300 g/L，3502添加劑20 ～ 25 g/L。

先用80目白剛玉砂在0.5 MPa下對基體進行噴砂處理，再在室溫下采用不同配方活化基體30 ～ 60 s，接著在相同條件下電鍍鉻，最后用銼刀法檢查鍍鉻層結合力。從圖3可知，采用配方A、C或D活化基體均能提高鍍鉻層的結合力，其中以配方C的效果最為顯著。采用配方B活化時，經銼刀試驗后鍍層大面積脫落，結合力比未活化試樣表面鍍鉻層還差。這主要是因為配方B中含大量硝酸和氫氟酸，它們對FGH97粉末冶金高溫合金的腐蝕作用較強，在活化過程中基體金屬溶解過快，生成不溶性物附著在基體表面而形成掛灰，影響鍍鉻層結合力。

圖3 基體未活化和采用不同溶液活化時所得鍍鉻層的銼刀試驗結果Figure 3 File test results of chromium coatings electroplated on substrate unactivated and activated with different solutions

2.3 預鍍鎳對鍍鉻層結合力的影響

以FGH97粉末冶金高溫合金為基體，先用80目白剛玉砂在0.5 MPa壓力下噴砂，預鍍鎳后電鍍鉻，最后用銼刀法檢測鍍鉻層結合力。從圖4可知，在鍍鉻前對基材預鍍鎳可獲得結合力良好的鍍層，甚至好于采用硫酸-氫氟酸活化再鍍鉻所得的鍍層。但預鍍鎳溶液的鹽酸含量較高，FGH97粉末冶金高溫合金在鹽酸環境中對縫隙腐蝕較為敏感，在預鍍鎳過程中容易發生縫隙腐蝕，因此結構復雜的FGH97粉末冶金高溫合金零件不宜進行預鍍鎳。

圖4 采用預鍍鎳時所得鍍鉻層的銼刀試驗結果Figure 4 File test result of chromium coating electroplated on the substrate pre-plated with nickel

2.4 電鍍鉻時給電方式對鍍鉻層結合力的影響

先用80目白剛玉砂在0.5 MPa壓力下對基體噴砂，再用配方C活化，接著分別采用1 min內緩升和5 min階梯式給電的方式電鍍鉻，最后采用拉伸法檢測鍍層結合力。其中階梯式給電的具體操作如下：

(1) 以規定電流的10%帶電入槽預熱3 ～ 5 min；

(2) 以規定電流的20%電鍍1 min；

(3) 以規定電流的30%電鍍1 min；

(4) 以規定電流的40%電鍍1 min；

(5) 以規定電流的50%電鍍1 min；

(6) 在1 min內將電流逐步升至規定電流。

從表1可以看出，采用5 min階梯式給電可以進一步提高鍍層結合力。這主要是因為鍍鉻液屬于強氧化性溶液，采用1 min內緩升給電方式時，零件在槽液中處于無沉積狀態的陰極活化時間太短，且零件入槽所帶電流太低，表面活化不充分，進而影響鍍層結合力。5 min階梯式給電方式加大了零件帶電入槽電流，同時延長了零件在槽液中陰極活化的時間，表面得以充分活化，起到進一步改善鍍層結合力的作用。

表1 不同給電方式下所得鍍鉻層的結合力Table 1 Adhesion of chromium coatings electroplated under different power supply modes

在金相顯微鏡下可觀察到較佳工藝條件下所得的鍍鉻層均勻分布，與基體緊密結合，如圖5所示。

圖5 采用改進工藝后鍍鉻層的金相照片Figure 5 Metallograph of chromium coating electroplated by the improved process

3 結論

通過優化噴砂工藝、電鍍前活化或預鍍鎳以及改進電鍍給電方式，可以解決FGH97粉末冶金高溫合金電鍍鉻結合力差的問題。對于結構簡單的零件，較佳的鍍鉻工藝為：0.5 MPa下以80目白剛玉砂噴砂 + 預鍍鎳 +5 min階梯式給電方式電鍍。對于結構復雜的零件，較佳的鍍鉻工藝為：0.5 MPa下以80目白剛玉砂噴砂 +硫酸-氫氟酸活化 + 5 min階梯式給電方式電鍍。