隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)制造材料選用已經(jīng)從鋁合金、鋼鐵等傳統(tǒng)金屬材料逐步轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料、鈦合金材料為主的新型材料，鈦合金具有比強(qiáng)度高，抗腐蝕性能強(qiáng)，耐高溫性能好，鈦合金與碳纖維復(fù)合材料的電極電位相近，與碳纖維復(fù)合材料有良好的電化學(xué)相容性和相近的熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，因此鈦合金又成為復(fù)合材料唯一的連接材料，使鈦合金與復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，根據(jù)未來航空發(fā)展需求，預(yù)測(cè)鈦合金材料在未來五代戰(zhàn)機(jī)及六代飛機(jī)中占比將達(dá)到20%左右，成為航空選用的主要材料；但在實(shí)際使用中，鈦合金的使用性能對(duì)其零件表面狀態(tài)或表面完整性特別敏感，除了容易發(fā)生表面氧化等污染外，鈦及鈦合金易發(fā)生微動(dòng)磨蝕、接觸腐蝕、摩擦磨損、導(dǎo)熱導(dǎo)電性差、點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕等現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步達(dá)到提高鈦合金耐蝕性、耐磨性、高溫抗氧化性等目的，克服鈦合金本身的缺點(diǎn)，世界各國(guó)科學(xué)家、工程師都在進(jìn)行研究探索鈦合金的表面處理方法，以改善鈦合金的性能，達(dá)到工程使用的目的。經(jīng)過多年的研究，目前航空鈦合金的主要表面處理方法有鈦合金的電鍍、化學(xué)鈍化、陽(yáng)極化、微弧氧化及超音速火焰噴涂等，并探索未來鈦合金表面處理的發(fā)展方向，使鈦合金零件達(dá)到所需的性能要求，支持航空工業(yè)的發(fā)展。本文主要對(duì)目前鈦合金的表面處理方法進(jìn)行介紹。

1、鈦合金電鍍

電鍍是將直流電通入具有一定組成的電解質(zhì)溶液中，在電極與溶液之間的界面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（氧化還原反應(yīng)），進(jìn)而在金屬或非金屬制品的表面上形成符合要求、致密均勻的金屬層的過程。鈦合金電鍍是將鈦合金零件作為陰極，陽(yáng)極采用與鍍層同種金屬或惰性不溶金屬。在直流電的作用下，電解質(zhì)中的金屬離子電沉積到鈦合金零件表面，形成一層均勻、致密的金屬薄層。在航空制造領(lǐng)域，經(jīng)過電鍍可以改變鈦合金表面的外觀和多種物理化學(xué)性質(zhì)，如耐蝕性、耐磨性、焊接性、磁性等，使鈦合金發(fā)揮更大的作用。

目前鈦合金電鍍主要有鈦合金表面鍍鎳、鍍硬鉻、鍍銀等，其中鍍鎳、鍍硬鉻主要用于提高鈦合金零件的表 面耐磨性，鈦合金表面的鍍鉻層具有顯微硬度高（HV＞700）、耐磨性好、鍍層穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且電鍍硬鉻是一種工藝成熟的傳統(tǒng)表面處理技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)鈦合金零件的耐磨化處理；鍍銀主要是提高鈦合金的導(dǎo)電性和釬焊性，使鈦合金零件具有良好的導(dǎo)電性和焊接性，主要在飛機(jī)的電氣系統(tǒng)及導(dǎo)航系統(tǒng)中使用。電鍍是鈦合金表面改性行之有效的方法，但由于鈦元素對(duì)氫的吸附能力較強(qiáng)，在電鍍過程中會(huì)產(chǎn)生大量的氫，而這些氫大部分被鈦吸收進(jìn)入鈦合金零件基體，從而導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象，因此使鈦合金電鍍工藝在航空領(lǐng)域應(yīng)用受到一定的限制。

鈦合金電鍍工藝不但需要提升鈦合金基體的耐蝕性；而且在有些情況下作為噴漆的打底層，用于提高、增強(qiáng)漆層結(jié)合力，作為暴露的表面位置需要更好的光澤及外觀；由于鈦合金電鍍產(chǎn)品的質(zhì)量要求較高和影響因素較多，因此，導(dǎo)致鈦合金電鍍的過程控制準(zhǔn)確度及精密度較高，盡量降低電鍍過程其他因素的影響，從而保障鈦合金電鍍的產(chǎn)品質(zhì)量。通過幾年的摸索及電鍍實(shí)踐，概括總結(jié)，影響鈦合金電鍍層產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素有以下幾點(diǎn)。

（1）槽液成分及濃度的影響，在現(xiàn)實(shí)中，每一鍍種都會(huì)演變出多種主鹽體系以及與之相匹配的添加劑體系。主鹽作為鍍液中必不可少的組分，其主要作用是提供金屬離子，這些離子在電解過程中沉積在基體金屬表面，形成所需的鍍層；導(dǎo)電鹽主要增加溶液的電導(dǎo)率，緩沖劑保持溶液的pH值的穩(wěn)定性，陽(yáng)極去極化劑促進(jìn)陽(yáng)極化，絡(luò)合劑絡(luò)合金屬離子，添加劑改善電鍍?nèi)芤盒阅芎湾儗淤|(zhì)量。主鹽的濃度對(duì)鍍層的質(zhì)量有重要影響，濃度高時(shí)，鍍層較為粗糙，但允許的電流密度大；濃度較低時(shí)，允許通過的電流密度較小，影響沉積速度。從鈦合金電鍍的實(shí)際來看，每一套體系都有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，氰化鍍鋅液具有分散和深度能力強(qiáng)、耐蝕性好、鍍液穩(wěn)定易操作、工藝范圍寬等優(yōu)點(diǎn)；也有劇毒和嚴(yán)重污染環(huán)境等缺點(diǎn)。電鍍添加劑主要是穩(wěn)定劑、潤(rùn)濕劑、光澤劑、柔軟劑和低區(qū)走位劑等，對(duì)電鍍過程溶液的張力、穩(wěn)定起作用，會(huì)在一定程度上影響電鍍產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）溫度對(duì)電鍍過程的影響，溫度對(duì)電鍍質(zhì)量有顯著影響，溫度過高會(huì)導(dǎo)致添加劑分解加速，增加添加劑消耗，鍍層結(jié)晶粗糙，光亮度降低；溫度過低則允許電流密度降低，高電流區(qū)易燒結(jié)。此外，溫度控制不當(dāng)還可能導(dǎo)致其他問題，如產(chǎn)品外觀發(fā)白、氣泡等。

（3）過程處理對(duì)電鍍過程的影響，電鍍一般會(huì)經(jīng)過脫脂/除油、噴砂、酸洗、活化、除氫等工序。脫脂/除油主要使用清洗劑將零件表面的油污清洗干凈，但在此過程中，由于鈦合金的應(yīng)力腐蝕對(duì)某些溶劑較敏感，所以，要選擇合適的溶劑類型進(jìn)行脫脂，不但保證除油的效果，而且要避免對(duì)鈦合金的腐蝕。在脫脂/除油之后，可以通過液體噴砂或干噴砂的辦法，去除鈦及鈦合金表面的氧化層，粗化基體表面，實(shí)現(xiàn)基體與鍍層的機(jī)械結(jié)合。在熱處理、鍛壓及焊接等制造工序鈦合金表面會(huì)產(chǎn)生大量的熱，高溫會(huì)導(dǎo)致鈦合金表面形成氧化色、氧化皮及氧化層，氧化物的出現(xiàn)會(huì)影響電鍍過程的進(jìn)行；因此，電鍍之前需要去除零件表面的“污染物”使之形成清潔的表面，由于表面成分較為復(fù)雜，經(jīng)實(shí)踐證明，采用硫酸、硝酸、鹽酸等酸性溶液對(duì)表面的物質(zhì)進(jìn)行腐蝕；但在此過程中由于酸與金屬之間發(fā)生反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生大量的氫，而氫會(huì)隨著該工序的進(jìn)行而不斷增加，造成氫脆現(xiàn)象；因此，選擇合適的酸洗溶液，是有效地保證酸洗后的鈦合金中氫含量的重要舉措?；罨氢伡扳伜辖鸨砻鏈?zhǔn)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在去除鈦及鈦合金表面的氧化膜的同時(shí)，生成了一層薄的金屬底層或轉(zhuǎn)化膜，該工序既可以保證在電鍍前不會(huì)再次氧化，而且可以保證金屬表面得到良好的鍍層沉積。鈦合金在酸洗、活化及電鍍過程中會(huì)吸收氫離子，從而使得基體產(chǎn)生氫脆，會(huì)給產(chǎn)品帶來氫脆斷裂風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)實(shí)踐證明，電鍍后的零件隨著溫度升高會(huì)使基體內(nèi)部的氫原子往外擠壓，從而除去基體中的氫，降低氫脆斷裂的風(fēng)險(xiǎn)?？傊ㄟ^過程控制，在一定程度上保障了產(chǎn)品質(zhì)量。

2、鈦合金化學(xué)鈍化

鈦合金化學(xué)鈍化主要是將鈦合金零件浸入硝酸濃度較高的槽中，經(jīng)過氧化還原反應(yīng)，使鈦合金表面轉(zhuǎn)化為耐 蝕性較強(qiáng)的鈍化膜，該膜層有很高的強(qiáng)度和較好的耐蝕性，是延緩鈦合金零件腐蝕速度行之有效的方法。從腐蝕原理上講，在相同的溫度下，鈦表面的鈍化膜促進(jìn)鈦電位移向正電位，經(jīng)過鈍化的鈦合金零件的自然電極腐蝕電位升高，提高了鈦材耐酸性和水介質(zhì)的腐蝕。研究表明，經(jīng)過鈍化的鈦合金零件腐蝕速率明顯小于未經(jīng)鈍化的鈦合金零件的腐蝕速率，且經(jīng)過鈍化的鈦合金零件表面在較高的溫度下仍較穩(wěn)定，并具有較好的防護(hù)作用。由于鈦合金鈍化膜特別薄，幾乎不影響任何零件的結(jié)構(gòu)外形及尺寸，因此經(jīng)常作為尺寸精度要求較高及高精密鈦合金零組件的最終表面處理，以提高鈦合金零件的耐蝕性；鈦合金鈍化膜也可以作為鈦合金零件噴漆前的表面準(zhǔn)備，以提高鈦合金零件的噴漆層的結(jié)合力。目前鈦合金化學(xué)鈍化工藝已經(jīng)廣泛使用在航空航天領(lǐng)域，在飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造中，如一些鈦合金結(jié)構(gòu)件，飛機(jī)地板梁、襟翼及縫翼滑軌等關(guān)鍵重要件使用鈦合金零件，該類零件一般使用化學(xué)鈍化作為表面處理方式，提高飛機(jī)鈦合金零件的耐蝕性。

航空鈦合金鈍化的常用工藝流程為：堿清洗→溫水洗→冷水洗→鈍化→冷水洗→干燥，工藝流程較為簡(jiǎn)單，該工藝零件經(jīng)過除油或脫脂后，使零件浸漬于硝酸槽液中保持5min～30min，該槽液采用硝酸（69%），酸濃度維持在429g/l～535g/l，槽液溫度為室溫或49℃～54℃，使表面形成一層氧化膜層，從而達(dá)到提高耐蝕性的目的；槽液中不含重金屬及劇毒物質(zhì)，綠色環(huán)保、成本低廉，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益較好，不僅適合大批量生產(chǎn)，而且滿足科研試驗(yàn)需求。

3、鈦合金陽(yáng)極化

鈦及鈦合金陽(yáng)極氧化主要在酸性溶液中，使鈦合金表面形成一種鈦的氧化膜層，從而改變鈦合金的某些特性，可增強(qiáng)鈦合金基體的耐磨性、硬度、耐腐蝕性、絕緣性、耐熱性及表面潤(rùn)滑性。鈦合金表面改性處理通常使用陽(yáng)極氧化工藝，鈦合金陽(yáng)極化主要分為薄膜陽(yáng)極化和厚膜陽(yáng)極化，使鈦合金表面形成孔徑適當(dāng)?shù)念伾鄻拥难趸?，以提高鈦合金零件的鈦合金耐摩擦、磨損性能，形成黏附性好的厚膜、多孔膜，改善涂層的結(jié)合力，用于有機(jī)涂層或干膜潤(rùn)滑劑或膠的底層，提高轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的耐磨及耐擦傷性能，用于螺紋緊固件防黏滯，有時(shí)用于檢查材質(zhì)的偏析，作為鈦合金電鍍的前處理，形成強(qiáng)度較高、化學(xué)穩(wěn)定性較好，有較高裝飾及實(shí)用價(jià)值的著色膜。陽(yáng)極氧化溶液及工藝條件不同，所獲得的氧化膜的顏色、厚度、性能有所差異。一般認(rèn)為使用陽(yáng)極氧化工藝得到的膜層顯色的原因?yàn)槟油该鞫雀?，由于光的干涉而形成的?/p>

目前西飛公司率先在航空技術(shù)中應(yīng)用鈦合金薄膜硫酸陽(yáng)極氧化工藝，用于新型飛機(jī)的鈦合金零件表面處理，該工藝流程為：堿除油→溫水洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→硫酸陽(yáng)極化→冷水洗→干燥，零件在去除油污及油脂后，應(yīng)在含有硝酸、氫氟酸的溶液槽內(nèi)進(jìn)行酸洗，去除零件表面的氧化皮及氧化色，為后續(xù)的陽(yáng)極化作表面準(zhǔn)備；經(jīng)過前處理之后的零件，應(yīng)在硫酸濃度為180g/l～220g/l，槽液溫度為20℃～30℃的溶液中進(jìn)行通電氧化，零件浸沒溶液后，1min內(nèi)開始通電，并在1min內(nèi)將電壓均勻的升至18V～21V，在該環(huán)境下保持電壓10min～15min，斷電后2min內(nèi)將零件從槽中取出，并進(jìn)行干燥。氧化后的鈦合金零件表面呈現(xiàn)連續(xù)、均勻、完整的藍(lán)色到紫羅藍(lán)色膜層，從而增強(qiáng)鈦合金零件的耐磨性與耐蝕性，滿足航空設(shè)計(jì)與制造需求。

4、微弧氧化

微弧氧化（Microarcoxidation，MAO）也稱為等離子體電解氧化（PEO），是一種在鋁、鎂、鈦等金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜的新技術(shù)，它是利用電化學(xué)技術(shù)，在鋁、鎂、鈦及其合金表面依靠弧光放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓的共同作用下，生長(zhǎng)出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜。微弧氧化技術(shù)具有膜層結(jié)合強(qiáng)度高、對(duì)環(huán)境無污染、鈦合金零件外形尺寸變動(dòng)不大等優(yōu)勢(shì)；在飛機(jī)制造中，大量使用高性能鈦合金材料來實(shí)現(xiàn)部分功能，并通過微弧氧化處理能有效地改善鈦合金在苛刻環(huán)境中的耐磨、耐蝕和抗高溫氧化性能，鈦合金微弧氧化膜層是TiO₂陶瓷膜，膜層結(jié)構(gòu)具有外層疏松多孔，內(nèi)層致密的特點(diǎn)。

微弧氧化是由常規(guī)的陽(yáng)極氧化技術(shù)發(fā)展而來的，在陽(yáng)極氧化的基礎(chǔ)上，增加工作電壓，使電壓從普通陽(yáng)極氧化法拉第區(qū)進(jìn)入微弧放電區(qū)，從而產(chǎn)生TiO₂陶瓷膜。目前，有關(guān)鈦合金微弧氧化的研究工作仍在進(jìn)行，而國(guó)內(nèi)對(duì)于鈦合金表面微弧氧化的研究才剛剛起步，多數(shù)是針對(duì)不同電解液中所得膜層的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討和研究，其中常用的微弧氧化主鹽體系主要有NaAlO₂、Na₃PO₄、Na₂SiO₃三種。

從以上三種主鹽體系的微弧氧化膜表面SEM形貌圖可以看出，鈦合金微弧氧化膜具有內(nèi)層結(jié)構(gòu)致密、外層結(jié)構(gòu)粗糙、多孔的特征，形成明顯的三部分組成結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)疏松層、結(jié)構(gòu)致密層與界面層。三部分組成結(jié)構(gòu)的外層空隙較大，比較疏松，表面粗糙。內(nèi)層是鈦合金微弧氧化的主體，孔隙小，結(jié)構(gòu)致密，硬度高且耐磨。致密層下面是微弧氧化膜層與基體合金的界面層，致密層的尺寸小，厚度比較薄，表面形狀特點(diǎn)是凹凸不平的；致密層與基體鈦合金相互滲透，原位形成而相互契合，所以致密層與鈦合金形成冶金結(jié)合，與基體結(jié)合強(qiáng)度很高，保證了飛機(jī)鈦合金零件的性能要求。

5、超音速火焰噴涂

超音速火焰噴涂（HVOF）是以氧氣及丙烷、氫氣等可燃?xì)怏w或航空煤油、酒精等液體燃料作熱源，通過劇烈燃燒使氣體快速膨脹，形成高壓，把WC陶瓷粉末沿軸向或徑向注入高速噴射燃燒的火焰中，燃燒產(chǎn)物在高壓驅(qū)動(dòng)下形成高速氣流，產(chǎn)生熔化或半熔化的粒子，以兩馬赫以上的高速通過槍管沖出槍外，高速撞擊在基體表面上沉積形成涂層。

鈦合金超音速火焰噴涂WC陶瓷粉末技術(shù)用于航空制造中，主要應(yīng)用在航空高耐磨精密零件的表面改性，包 括飛機(jī)起落架、內(nèi)襟翼及縫翼滑軌、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等關(guān)鍵耐磨零組件的超音速火焰噴涂，特別是在C919、ARJ21飛機(jī)上鈦合金滑軌使用超音速火焰噴涂WC工藝，增強(qiáng)滑軌導(dǎo)軌面的耐磨性。主要使用2900℃左右的高溫火焰，在火焰速度>2000m/s時(shí)，使噴涂的粉末飛行速度可達(dá)300m/s～650m/s，利用高速燃?xì)?，一方面，使WC陶瓷粉末顆粒達(dá)到半熔化狀態(tài)；另一方面，又使粉末的顆粒加速運(yùn)動(dòng)，將熔化后的WC陶瓷粉末以超音速飛行而撞擊到基體表面，緊密均勻地附著在被噴涂物體的表面上，與基材物理結(jié)合在一起，形成一層致密的WC涂層，該涂層的結(jié)合強(qiáng)度、密度和硬度都非常高，同時(shí)，氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，將半融化粉末與空氣隔離，避免了顆粒的氧化，通過壓縮空氣冷卻降溫，使基材溫度低于150℃，保證基材不發(fā)生任何變形，涂層致密，孔隙率低，噴涂溫度低，殘余應(yīng)力低，涂層硬度高。主要工藝流程為：噴丸→鈍化→噴涂→精飾打磨，在噴涂過程主要按照零件的形狀及涂層厚度要求對(duì)機(jī)械手進(jìn)行編程，確定機(jī)械手的噴涂軌跡，調(diào)節(jié)可燃?xì)怏w的比例及壓力，使WC陶瓷粉末在高溫、高壓、高速火焰下，形成熔融態(tài)高速打入鈦合金基體，使熔融態(tài)WC與鈦合金基體緊密結(jié)合，該涂層的硬度可達(dá)900HV～1100HV，可以在＜540℃的高溫環(huán)境下使用，可以抵抗720h耐蝕性鹽霧試驗(yàn)，是目前發(fā)現(xiàn)性能指標(biāo)最好的表面涂層，達(dá)到了飛機(jī)耐磨及耐蝕零件的設(shè)計(jì)、制造要求。

6、結(jié)論

本文通過對(duì)鈦合金材料的優(yōu)勢(shì)及缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述，結(jié)合航空技術(shù)發(fā)展要求，鈦合金零件將成為現(xiàn)在及未來飛機(jī)制造的主要材料，為了解決鈦合金零件易氧化、硬度低而易發(fā)生微動(dòng)磨蝕、接觸腐蝕、摩擦磨損、點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕等現(xiàn)象，通過長(zhǎng)期試驗(yàn)及探索，本文主要通過有鈦合金的電鍍、化學(xué)鈍化、陽(yáng)極化、微弧氧化、超音速火焰噴涂五種方法的理論、工藝流程、工藝參數(shù)、工藝選擇及膜層性能進(jìn)行闡述，表明以上五種鈦合金表面處理方法可以滿足目前航空鈦合金零件的表面處理要求，以提高鈦合金耐蝕性、耐磨性、高溫抗氧化性等目的，克服鈦合金本身的缺點(diǎn)，提高鈦合金材料在航空技術(shù)性能，滿足航空零件的設(shè)計(jì)、使用功能，并可以在其他行業(yè)推廣使用，使鈦合金真正成為推動(dòng)科技發(fā)展的基礎(chǔ)材料。

（作者單位：中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司）