航天用 MBL 系列镁锂合金化学镀镍技术及其性能研究

航天用 MBL 系列镁锂合金化学镀镍技术及其性能研究

Vol. 36 增刊 2015 年 11 月 2 日 腐蚀与防护 V01.36 增刊 2015 年 11 月 2 日 航空航天用 MBLS 系列镁锂合金化学镀镍工艺及性能研究 鞠鹏飞，王正波，席浩民，苏培波 （上海，） 摘要：详细介绍了航空航天模型用两种牌号镁锂合金 MBLS4-250 和 -200 化学镀镍工艺及相关性能表征，并对化学镀镍前处理配方、化学镀镍络合剂、还原剂、温度等工艺参数进行了筛选和优化。结果表明，采用该工艺制备的镁锂合金化学镀镍层外观呈银灰色，结合强度好，经 96h 湿热试验或 48h 中性盐雾试验后，试件表面均未发生明显腐蚀。 经-4～100℃100次热循环后，试件表面膜层无开裂、脱落现象，满足航空航天产品要求。关键词：镁锂合金；化学镀；腐蚀中图分类号：ＴＧl７４．４文献标识码：Ａ文章号：１００５－７４８Ｘ（２１５）增２－０１６８－０４轻量化一直是航天模型研制的重要目标之一。镁锂合金具有优异的综合性能，其密度仅为1.35～1.65g/cm3，远低于铝合金、铝锂合金和普通镁合金，且具有较高的比刚度和比强度。由于镁锂合金一系列优异的性能，镁锂合金受到了航空航天模型开发商的广泛关注。 镁锂合金正在取代铝合金、镁合金作为航空航天模型结构件、单机壳体、预埋件加工材料。

但是镁锂合金的活性很高，自腐蚀电位低，耐腐蚀性能差，使得镁锂合金零部件在地面装配调试过程中容易发生腐蚀，严重制约了其在车型中的使用。镁锂合金的表面防护方法主要有微弧氧化、化学镀镍和化学氧化等。目前，镁锂合金的微弧氧化技术比较成熟，虽然国内外对化学镀镍技术进行了大量研究，但能够大规模应用的技术还未见报道。 1 实验本工作研究的是MBI.和-200两个牌号的镁锂合金材料，其主要成分如表1所示。表1 镁锂合金基本成分(质量分数/%)镁锂合金化学镀镍主要工艺流程为：有机溶剂脱脂+化学脱脂——酸洗——活化——镀前化学镀镍焦磷酸盐镀铜化学镀镍——封孔干燥——热处理。焦磷酸盐镀铜具体工艺配方及参数如表2所示。焦磷酸盐镀铜沉积速度一般为(8~10)bu·m/h。2 结果与讨论2.1 镁锂合金化学镀镍前处理工艺由于镁锂合金活性很高，常规的脱脂、酸洗活化配方容易造成过度腐蚀。 因此在预处理溶液中添加一定的缓蚀剂和缓冲剂是很有必要的，以确保镁锂合金不会发生过度腐蚀。通讯作者：**飞(1987-)，高级工程师，博士，从事金属材料腐蚀失效与防护技术研究，Email：@163.COM·１CR·表2 焦磷酸盐镀铜工艺配方及操作条件工艺名称溶液配方操作条件焦磷酸铜 60～90 g/L 温度：35～45℃电镀焦磷酸铜焦磷酸钾 280～420 g/L pH：8.2～8.8 柠檬酸铵 15～25 g/L 电流密度：1 A/dm2 预处理充分。

表3为镁锂合金化学脱脂配方及工艺参数，具体脱脂效果见表4。从表4可以看出，5种配方均能有效去除表面油污。配方3、4脱脂速度最快，但配方3中碱浓度高、温度高，易引起镁锂合金表面腐蚀。配方1、2、5脱脂速度较慢，且由于配方中含有硅酸钠，脱脂后零件表面不易清洗干净，因此选择配方4进行脱脂。通过正交实验根据化学镀镍层结合强度进行筛选，得到最佳活化工艺：200mL/L磷酸，添加

鞠鹏飞等：航空航天用MBLS系列镁锂合金化学镀镍工艺及性能研究MBLS4-250镁锂合金试件-200镁锂合金试件……时间/min表面状态清洁情况时间/雨表面状态清洁情况剂C 120g/L，氢氟酸50mL/L，温度为室温，时间2-6min。2.2镁锂合金化学镀镍溶液配方及工艺研究根据化学镀镍溶液中各组分的作用及各组分含量对化学镍磷层性能的影响，确定化学镀镍溶液基本配方及工艺为：硫酸镍20-30g/L，次磷酸钠20-25g/L，络合剂待定，氢氟酸（40%）12mL/L，烯丙基硫脲（0.5-2）mg/I。 、无水醋酸钠20%/L、氨水30n1L/L、镀液pH5.8~7.0、镀液温度65~850（2.2.2.1主盐与还原剂质量比的研究图1为不同主盐还原剂配比下所获得的化学镀镍层表面形貌，从图中可以看出，主盐NiSO4-6H,O与还原剂"H:O质量比为1:0的化学镀镍层表面光滑致密，镀层孔隙少，外观光亮，质量良好。（a），=1.0图1不同主盐还原剂配比下所获得的化学镀镍层2.2.2络合剂研究不同络合剂络合剂对镀层的沉积速度、表面形貌、磷含量、耐蚀性等均有影响，因此络合剂的选择不仅要使主盐还原剂的沉积速度不仅能快速络合镀液，还能使镀液稳定，使用寿命长，镀层质量好。本文对以下几种复合络合剂进行了详细的筛选和研究，络合剂配方如表5所示。将上述络合剂逐一配制成镀液，进行镀样，用扫描电镜观察镀层微观形貌，镀层主要为表5几种不同复合络合剂的配方络合剂A5g/LB 20g/L、C4ml/L、D5g/LF 20g/L、C4ml/LG 10g/L

鞠鹏飞等：航空航天用MBLS系列镁锂合金化学镀镍工艺及性能研究通过分析结晶状态和孔隙率，确定最佳络合剂方案。不同络合剂条件下镀层微观形貌如图2所示。从图2可以看出，方案1镀层较为疏松，晶粒排列不够致密；而方案4镀层表面有明显的孔隙，说明镀层质量较差。相比之下，方案2、3镀层表面排列相对致密均匀，孔隙较少。a）配方1(b)配方2(c)配方i(d)配方4图2 不同络合剂镀层微观形貌通过热冲击试验测试不同络合剂镀层的结合强度。 试验QJ479-90《金属镀层结合强度试验方法》中的热冲击方法如下：温度200oC，保温1h，从高温中取出直接放入冷水槽中测试镀层结合强度。热冲击试验结果见表6。表6不同络合剂镀层热冲击试验结果由表6可以看出，采用不同的络合剂得到的镀层结合强度也不同，方案2和方案3镀层结合强度较好，方案1和方案4镀层结合强度较差，与微观形貌结果一致。镀层孔隙率采用浸没在NaCl溶液中测定。将镁锂合金化学镀镍试件浸没在5%NaCl溶液中，10min后检查镀层表面单位面积点蚀、鼓泡个数。 点蚀、鼓泡越多，说明涂层中的孔隙越多，孔隙率以(个/cm2)表示，孔隙率测试结果如表7所示。表7 不同络合剂涂层孔隙率测试结果方案1 2 3 4 平均孔隙率(个/cm2) ０．８０．５０．５５０．7.电化学测试装置采用三电极体系，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，试样为工作电极，工作电极有效面积为2cm2，电解质溶液为用去离子水配制的3.5％NaCl溶液。测试温度为室温。

图3为几种络合剂镀层的极化曲线，表8为不同络合剂镀层的自腐蚀电位与腐蚀电流密度。由图3和表8可以看出，镀层的自腐蚀电位在０．５～０范围内。Ⅳlg［Ｊ／（Ａ・cm２）１图3不同络合剂镀层的极化曲线表8不同络合剂镀层的自腐蚀电位与腐蚀电流密度，由此可见不同络合剂对镀层的自腐蚀电位影响很大。其中，方案2得到的镀层的自腐蚀电位最高，为0.159 19 V。这说明经过化学镀镍后，腐蚀倾向大大降低，可以很好的提高镁合金的耐腐蚀性能。 方案2的自腐蚀电流密度与另外三个方案相比降低了一个数量级，说明方案2镀层的腐蚀速度大大降低。综上所述，可以看出方案2的络合剂具有良好的提高镀层综合性能的特性。图4为不同温度下获得的化学镀镀层表面形貌。由图4可知，温度对镀层质量影响很大，温度为65℃时，镀层表面不致密，出现较大的空隙，造成漏镀。温度为75℃时，镀层质量大大改善，镀层基本覆盖基体金属，但仍然存在孔隙。温度为85℃时，镀层致密，孔隙很少，镀层质量良好。 2.3 镁锂合金表面多层化学镀镍性能测试 2.3.1 耐盐雾测试性能 -200镁锂合金表面化学镀镍膜层

鞠鹏飞等：航空航天用MBLS系列镁锂合金化学镀镍工艺及性能研究 (a)65℃ (a)75℃ (a)85℃ 图4 不同温度下获得的化学镀层表面形貌 按照.11A-09的要求进行48h中性盐雾试验，试验后按照GB/T6461规定的方法进行评定。 试验后镁锂合金化学镀镍层表面变化不大，但试件表面无任何腐蚀现象，表面质量达到9级以上，如图5所示。图5 48 h中性盐雾试验后镁锂合金表面状态2.3.2耐湿热试验性能将-200镁锂合金表面化学镀镍层按照QJ481的要求进行4个循环(96 h)湿热试验，结果如图6所示，试件及模拟部位表面均无腐蚀现象。 图6 镁锂合金化学镀镍试件经交变湿热试验后表面状态2.3.3 高低温循环性能-200镁锂合金化学镀镍膜层按照GJB 2502.8-2006进行±100℃条件下100次热循环，热循环试验后试件表面状态如图7所示，从图中可以看出热循环前后试件表面膜层无开裂、脱落现象，镀层颜色正常，无明显变化。 3 结论（1）镁锂合金化学镀镍溶液配方及工艺参数如图7所示，-200镁锂合金化学镀镍膜层经高低温循环试验（100次）后表面状态如下：硫酸镍20～30g/L、次磷酸钠20～25g/L、络合剂待定、氢氟酸（40%）12 1。镁锂合金化学镀镍层外观呈银灰色，结合强度良好，镀层结合强度合格率达86%以上，同时化学镀镍层导电性好，耐腐蚀性能好，经96h湿热试验或48h中性盐雾试验后，试件表面无明显腐蚀现象，经±100℃热循环100次后，试件表面膜层无开裂、脱落现象。