一种在钛合金表面制备抗接触腐蚀涂层的方法 技术领域

本发明涉及一种在钛合金表面制备抗接触腐蚀 涂层的方法。

钛合金具有强度高，耐蚀性强等优点而成为 重要的航空材料。钛合金的使用， 对减轻飞机重量， 提升飞机性能具有重要意义。然而， 钛合金自身虽具有良好的 耐腐蚀性能。但当其与铝合金及合金钢接触时 ， 在应力与环境协同作用下， 则易 于发生接触腐蚀而导致失效。 接触腐蚀是一种电偶腐蚀， 即异种金属在同一种介质中接触， 由于金属电位 不同使电位较低的金属溶解速度加快，造成接 触处的局部腐蚀。控制接触腐蚀根 本措施是通过合理的选材，适当地进行表面改 性与表面涂镀层处理， 使接触件异 种材料的电位接近， 从而降低或消除接触腐蚀。在航空工业上， 控制钛合金及其 连接结构接触腐蚀的主要手段是采用各类表面 工程技术。一种方法是采用化学镀 或者电镀等方法， 将材料表面改性， 使相接触的材料具有相近的电位， 从而有效 地防止电偶腐蚀。 如 B767客机的钛合金紧固件全部采用离子镀铝处� �后再与铝 合金接触， 降低钛-铝之间的电偶效应； 采用阳极氧化或化学转化膜层处理， 是 降低钛合金与铝合金和合金钢接触腐蚀的另外 一种途径。涂漆或涂胶也是防止钛 合金与其它金属接触腐蚀的重要手段， 如用环氧锌黄底漆、 XM-33-4双组分密封 胶防护， 可以防止 0Crl3Ni8Mo2Al与 LY12和 TC4的接触时的电偶腐蚀。 然而， 国内外防止钛合金接触腐蚀虽然取得一定的成 果，但目前上述的手段 均存在一定的问题。共性的问题是上述的技术 手段获得的涂镀层在接触腐蚀的作 用下， 很容易剥落， 剥落的碎片使接触零件之间形成磨粒磨损， 加剧了零件的失 效， 从而彻底失去防护效果， 并且现有技术中的技术手段成本高， 要求待加工的 工件尺寸、 形状有一定限制， 因此存在很大的局限性， 而飞机中大量的钛合金紧 固件， 迫切需要解决接触腐蚀导致的失效问题。

^：咖

针对现有技术中这些问题，本发明提供一种能 在钛合金表面制备抗接触腐蚀 涂层的方法， 从而彻底解决钛合金与铝合金和钢铁材料的接 触腐蚀问题。 本发明提供的一种在钛合金表面制备抗接触腐 蚀涂层的方法， 包括： 第一步： 先将钛合金零件除油、 除锈；

第二步： 对钛合金零件进行浸蚀处理；

第三步： 对钛合金零件进行表面活化处理；

第四步： 将钛合金零件放在气氛保护炉内预热；

第五步： 将经预热的钛合金零件浸入镀液中， 浸没过程中对零件施以旋转； 第六步： 将浸镀后的钛合金零件放入真空炉内进行扩散 处理， 使界面处原子扩散 而在基体上形成扩散层从而在钛合金零件表面 形成镀渗复合涂层，实现涂层与基 体的冶金结合。 优选的，其中第一步中所述除锈处理是通过喷 射砂浆使零件的表面除锈，所 述喷射砂浆的磨料粒度为 0.1~0.15mm， 喷砂时间为 10~20分钟， 喷砂后， 再通 过机械研磨实施精细抛光，随后在丙酮溶液中 进行超声清洗，最后去离子水漂洗。 优选的，其中第二步中所述浸蚀处理是将除油 、除锈后的零件放在盐酸和氢 氟酸混合溶液中， 室温浸蚀 1~3分钟， 再去离子水漂洗， 其中所述盐酸和氢氟酸 混合溶液以体积计算盐酸 HC1 占 94%〜96%， 氢氟酸 HF 占 4%~6 %。 优选的， 其中第三步中所述表面活化处理的处理温度为 40~60°C， 时间为 30~40min, 所述表面活化处理的活化液的配方为：

乙二醇 C ₂ H ₆ 0 ₂ 600~900ml/L

酸性氟化铵 NH ₄ HF ₂ 25~45g/L

氯化镍 NiCl ₂ -6H ₂ 0 10~30g/L 硼酸 H ₃ B0 ₃ 20~60g/L

乳酸 C ₃ H ₆ 0 ₃ 10〜35ml/L

醋酸 C ₂ H ₄ 0 ₂ 70~230ml/L。 优选的， 其中第四步中将所述零件放在气氛保护炉内经 600~700 °C预热 10-20分钟。 优选的，其中第五步中将经预热的零件浸入镀 液中 1~5分钟，其中所述镀液 主要由铝、 硅、 锌、 稀土元素、 微合金元素和纳米氧化物颗粒增强剂组成， 所述 微合金元素选自镁、 铁、 铜、 锰、 铬、 锆中的一种或任意几种， 所述纳米氧化物 颗粒增强剂选自 Ti0 ₂ 、 Ce0 ₂ 中的一种或两种， 各组成成份占镀液总质量百分比 为： 硅含量： 8~24%， 锌含量： 1.2~3.1 %， 稀土元素的含量： 0.02~0.5 %， 微合 金元素的总含量： 0.02~5.0%， 所述纳米氧化物颗粒增强剂的总含量： 1~2 %， A1: 余量。 更优选的， 其中所述纳米氧化物颗粒增强剂的平均粒径为 15~60nm。 更优选的，其中所述微合金元素中各组成成份 的具体加入量占总质量百分比 为： 镁含量： 0.5-3.2% , 铁含量： 0.05-1 % , 铜含量 0.05~0.5%， 锰含量： 1.0-2.0 % , 铬含量： 0.5-2.0% , 锆含量： 0.02-0.5 优选的，其中第六步中将已浸镀的零件放入真 空炉内 500~600°C保温 2~5小 时， 所述扩散层厚度为 10~30μηι。 另一方面， 本发明还提供一种表面制备了抗接触腐蚀涂层 的钛合金零部件， 所述零部件表面的涂层厚度为 200~300μηι，所述涂层中还包含使界面处原子� �散 而在基体上形成的扩散层，通过所述扩散层实 现涂层与基体的冶金结合，所述扩 散层的厚度为 10~30μηι， 其中所述扩散层经过下述工艺过程形成：

第一步： 先将钛合金零件除油、 除锈；

第二步： 对钛合金零件进行浸蚀处理；

第三步： 对钛合金零件进行表面活化处理； 第四步： 将钛合金零件放在气氛保护炉内预热；

第五步： 将经预热的钛合金零件浸入镀液中， 浸没过程中对零件施以旋转； 第六步： 将浸镀后的钛合金零件放入真空炉内进行扩散 处理， 使界面处原子扩散 而在基体上形成扩散层从而在钛合金零件表面 形成镀渗复合涂层，实现涂层与基 体的冶金结合。

本发明对钛合金进行浸镀前处理是改善涂层与 基体结合强度的重要手段，是 提高涂层抗接触腐蚀性的重要步骤，其中采用 本发明活化液在浸镀前对零件进行 表面活化处理，基本消除了活化液对零件产生 腐蚀的风险， 而且由于替代了现有 技术中氟硼酸或氢氟酸的使用， 环境污染小， 从而更加环保、 节能， 另外， 在浸 镀前将浸镀的部件放入气氛保护炉内预热一段 时间，从而减小了涂层与基体材料 之间的力学性能失配， 使涂层即使在接触微动载荷作用下也不剥落。 另一方面，针对现有技术中钛合金表面的常规 镀覆涂层在接触腐蚀作用下极 易剥落而失去防腐作用的缺陷，采用本发明的 镀液形成的涂层，可在钛合金表面 形成耐蚀、 耐磨性好， 与基体冶金结合好的涂层， 从而可防止钛合金零件与铝合 金、 高温合金等航空材料的接触腐蚀。

再者，本发明在浸镀后增加了扩散处理的步骤 ， 从而减小了涂层与基体材料 之间的力学性能失配，进一步使涂层与基体结 合牢固，涂镀层即使在接触腐蚀的 作用下， 也不容易剥落， 从而起到了很好的防护效果。 综上所述， 本发明通过镀覆材料、镀覆工艺的改进， 可在钛合金表面形成耐 蚀、 耐磨性好， 与基体冶金结合好的涂层。 并且涂层电位与铝合金等材料接近， 可防止钛合金零件与铝合金、 高温合金等航空材料的接触腐蚀。 另外， 本发明的 方法工艺简单， 生产成本低， 并且能适用于任何形状、 任何尺寸零部件， 从而彻 底解决了钛合金与铝合金和钢铁材料的接触腐 蚀问题，对进一步扩大钛合金在航 空领域的应用， 推动飞机性能的提升具有重要的意义。 ^ 本发明提供的一种在钛合金表面制备抗接触腐 蚀涂层的方法， 包括： 第一步： 先将钛合金零件除油、 除锈；

第二步： 对钛合金零件进行浸蚀处理；

第三步： 对钛合金零件进行表面活化处理；

第四步： 将钛合金零件放在气氛保护炉内预热；

第五步： 将经预热的钛合金零件浸入镀液中， 浸没过程中对零件施以旋转； 第六步： 将浸镀后的钛合金零件放入真空炉内进行扩散 处理， 使界面处原子扩散 而在基体上形成扩散层从而在钛合金零件表面 形成镀渗复合涂层，实现涂层与基 体的冶金结合。

下面， 给出采用本发明的方法在钛合金零件表面制备 抗接触腐蚀涂层的一些 优选的具体实施例，但需要说明的是， 下述具体实施例中给出的条件并非是作为 必要技术特征加以描述的，对于本领域技术人 员来说， 完全可以在具体实施方式 所列数值的基础上进行合理概括和推导。

实施例 1

( 1 ) 将零件除油后， 通过液体喷砂进行除锈处理， 磨料粒度为 0. 1mm， 喷 砂时间为 20分钟。 喷砂后， 通过机械研磨实施精细抛光， 随后在丙酮溶液中进 行超声清洗， 去离子水漂洗。

(2) 将除油除锈后的零件在盐酸 HC1 94% (体积分数） +氢氟酸 HF6% (体 积分数） 混合溶液中， 室温浸蚀 1分钟， 去离子水漂洗。

( 3) 在乙二醇， 酸性氟化铵， 氯化镍， 硼酸， 乳酸， 醋酸的混合溶液中活 化处理， 温度 40°C， 时间 40min， 去离子水漂洗， 干燥。

(4) 将经 （1 ) ~ (3) 处理的零件放入气氛保护炉内， 700°C预热 10分钟。

(5) 在气氛保护熔炼炉内， 将经预热的钛合金零件浸入镀液中， 浸没 1分 钟， 浸没过程中对零件施以旋转。

(6)将浸镀的钛合金部件放入真空炉内， 500°C保温 5小时， 经上述工艺过 程， 在钛合金表面形成镀渗复合层。 实施例 2

(1) 将零件除油后， 通过液体喷砂进行除锈处理， 磨料粒度为 0.12mm， 喷 砂时间为 15分钟。 喷砂后， 通过机械研磨实施精细抛光， 随后在丙酮溶液中进 行超声清洗， 去离子水漂洗。

(2)将除油除锈后的零件在盐酸 HC195% (体积分数） +氢氟酸 HF5% (体积 分数） 混合溶液中， 室温浸蚀 2分钟， 去离子水漂洗。

(3) 在乙二醇， 酸性氟化铵， 氯化镍， 硼酸， 乳酸， 醋酸的混合溶液中活 化处理， 温度 50°C， 时间 35min， 去离子水漂洗， 干燥。

(4) 将经 （1) ~ (3) 处理的零件放入气氛保护炉内， 650°C预热 15分钟。

(5) 在气氛保护熔炼炉内， 将经预热的钛合金零件浸入镀液中， 浸没 3分 钟， 浸没过程中对零件施以旋转。

(6)将浸镀的钛合金部件放入真空炉内， 550°C保温 3小时， 经上述工艺过 程， 在钛合金表面形成镀渗复合层。

实施例 3

(1) 将零件除油后， 通过液体喷砂进行除锈处理， 磨料粒度为 0.15mm， 喷 砂时间为 10分钟。 喷砂后， 通过机械研磨实施精细抛光， 随后在丙酮溶液中进 行超声清洗， 去离子水漂洗。

(2)将除油除锈后的零件在盐酸 HC196% (体积分数） +氢氟酸 HF4% (体积 分数） 混合溶液中， 室温浸蚀 3分钟， 去离子水漂洗。

(3) 在乙二醇， 酸性氟化铵， 氯化镍， 硼酸， 乳酸， 醋酸的混合溶液中活 化处理， 温度 60°C， 时间 30min。 去离子水漂洗， 干燥。

(4) 将经 （1) ~ (3) 处理的零件放入气氛保护炉内， 600°C预热 20分钟。

(5) 在气氛保护熔炼炉内， 将经预热的钛合金零件浸入镀液中， 浸没 5分 钟， 浸没过程中对零件施以旋转。

(6)将浸镀的钛合金部件放入真空炉内， 600°C保温 2小时， 经上述工艺过 程， 在钛合金表面形成铝硅镀渗复合层。 其中， 实施例 1-3中表面活化处理的活化液的组成和含量如下 表 1所示， 并 且需要特别说明的是，表 1中仅仅是给出本发明活化液的组成和含量的� �些优选 实施例，但本发明活化液的组成和含量并不局 限于该表中所列数值，对于本领域 的技术人员来说， 完全可以在表中所列数值范围的基础上进行合 理概括和推理， 因此， 以下实施例都只是作为更优选的条件， 而并非是作为本发明的必要条件加 以描述。

表 1 : 活化液配方， 每 1升 （L) 的组成和含量， 余量为水。

其中， 实施例 1-3中镀液的组成和含量如下表 2所示， 并且需要特别说明的 是，表 2中仅仅是给出本发明镀液的一些优选实施例� �尽管表 2的微合金元素同 时包含镁、 铁、 铜、 锰、 铬、 锆这六种元素， 但这些并非是作为必要技术特征加 以描述的， 本发明的微合金元素可以选自镁、 铁、 铜、 锰、 铬、 锆中的一种或任 意几种， 类似的， 尽管表 2中列出所述纳米氧化物颗粒增强剂为 Ti0 ₂ ， 但本发 明的纳米氧化物颗粒增强剂还可以选自 Ce0 ₂ 或两种同时使用。 表 2: 各组成成份占总重量的质量百分比含量 （<¾)

另一方面， 本发明还提供了一种表面制备了抗接触腐蚀涂 层的钛合金零部 件，所述零部件表面的涂层厚度为 200~300μηι，所述涂层中还包含使界面处原子 扩散而在基体上形成的扩散层，通过所述扩散 层实现涂层与基体的冶金结合，所 述扩散层的厚度为 10~30μηι， 其中所述扩散层经过下述工艺过程形成： 第一步： 先将钛合金零件除油、 除锈；

第二步： 对钛合金零件进行浸蚀处理；

第三步： 对钛合金零件进行表面活化处理；

第四步： 将钛合金零件放在气氛保护炉内预热；

第五步： 将经预热的钛合金零件浸入镀液中， 浸没过程中对零件施以旋转； 第六步： 将浸镀后的钛合金零件放入真空炉内进行扩散 处理， 使界面处原子 扩散而在基体上形成扩散层从而在钛合金零件 表面形成镀渗复合涂层，实现涂层 与基体的冶金结合。

下面给出本发明制备了抗接触腐蚀涂层的一些 优选的实施方式， 如下表 3: 表 3: 厚度单位（μηι)

注： 镀层结合力测试方法参照 GB1720-79进行

综上所述，尽管上面列举了本发明一些优选的 实施方式，但本发明的发明构 思并不局限于此， 凡在此基础上， 对本发明进行非实质性的改动， 均应落入本发 明的保护范围之内。