TC4钛合金表面电镀铜摩擦磨损性能的研究

毕业论文任务书课题名称TC4钛合金表面电镀铜摩擦磨损性能的研究学院(部)材料科学与工程学院专业材料成型及控制工程班级学生姓名学号2月20日至6月8日共16周指导教师(签字)教学院长(签字)2014年1月10日一、论文内容（论文阐述的问题）目前，钛及其合金主要用于航空航天和军事工业上，据统计，钛在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一,它的抗腐蚀性能好，耐高温，密度低。如果在航天发动机中尽可能应用钛合金材料取代镍基高温合金材料制造航空发动机的压气机盘、叶片机匣等部件，可以减轻发动机的重量，提高结构效率。钛合金在海洋条件下有着极其优良的耐腐蚀性能、高的比强度、无磁等特点，因而被广泛应用于船舶工业。在生物工业、石油工业以及原子能等高技术领域也有着广泛应用。可以预见，在未来几年，对于钛及其合金会有很大的需求。TC4钛合金具有高强度、低密度和良好的耐蚀性，在诸多工业领域逐渐被广泛的应用[1]，尤其是TC4钛合金是用作高强耐腐蚀油管较好的选材[2]，但是钛合金材料黏性大，耐磨性差，螺纹易产生粘扣。众所周知，油管是以螺纹形式进行连接，由于螺纹在拧接过程中容易产生粘扣和划伤[3,4]，导致整个油管失效，由此而引发了重大的事故和经济损失[5,6]，因此改善和提高TC4钛合金的表面耐磨性，以改善和提高螺纹连接的抗粘扣性能具有重要的意义。当前关于TC4钛合金的表面改性技术研究较多，诸如电镀、化学镀及渗N、B、C等表面热处理和喷涂工艺应用于改善钛合金表面的耐磨性，但是都不能很好的解决钛合金螺纹的粘扣和划伤等磨损问题。铜具有熔点高、塑性好，应用在金属表面可显著降低摩擦因数、减小摩擦力，对改善金属表面的摩擦磨损性能具有良好的效果。尤其对于螺纹表面，具有很好的抗粘扣作用，因此，目前结构材料的螺纹表面大都是采用镀铜来改善其耐磨性和抗粘扣性能[1]。在热力学上，钛及钛合金是一种极不稳定的金属，它们的标准电极电位为-1.63V。它们的表面很快会出现一层自然氧化膜，即使我们将其表面处理干净，当我们将其放置水溶液或空气中时，它们又会马上生成新的氧化膜，因此使钛合金表面镀铜技术难以实现[7]。故研究钛合金表面电镀铜技术具有重要意义。到目前为止，涉及钛合金表面镀铜技术的研究甚少，钛合金表面镀铜摩擦磨损性能的研究更是微乎其微。因此研究TC4钛合金表面镀铜技术及其摩擦磨损性能，对TC4钛合金在石油管工业领域的应用具有重要意义。本实验利用硫酸铜镀铜技术在TC4钛合金表面电镀制备均匀、致密且结合力良好的铜镀层，旨在通过对TC4钛合金基体及其表面镀铜的摩擦磨损性能研究，揭示TC4钛合金基体及其表面镀铜的摩擦磨损机理，探讨TC4钛合金及其表面镀铜技术在石油管材领域的应用。二、论文原始资料（实验、研究方案）①实验内容：1、TC4钛合金试样的制备；2、配置TC4钛合金电镀活化液；3、进行TC4钛合金电镀铜的过程；4、做TC4钛合金镀铜的摩擦磨损试验。②实验流程：TC4钛合金试样制备→除油→表面流动水清洗→表面砂纸打磨处理→表面流动水清洗→酸洗→表面流动水清洗→活化液活化→表面流动水清洗→电镀→表面流动水清洗→吹干→摩擦磨损试验③实验药品及实验参数：活化液为甲酰胺和氢氟酸，两者的比例为10：1。TC4钛合金电镀铜的电镀电压为0.6～0.65V,预镀镍的电压为3.0V。④试样材料：实验材料TC4(Ti6Al4V)钛合金的化学成分为(质量分数,%)：Al5.2、V3.8、C0.01、Fe0.04、O0.09、N0.01、其余为Ti，硬度为HRC27。⑤实验方法、手段1、试样制备。制成尺寸为22mm×19mm×3mm的块状试样；2、用1200#砂纸打磨，乙醇清洗，然后用丙酮超声波清洗，风干后备用；3、使用活化液对钛合金试样进行活化，直到试样表面呈均匀的灰黑色；4、使用配置好的电镀液对钛合金试样进行电镀，将电压控制在镀铜为0.6～0.65V,预镀镍的电压为3.0V。之后放入试样，根据需要选择合适的时间进行电镀；5、采用摩擦磨损试验机在室温条件下进行球-盘磨损试验。磨损实验后，试样用乙醇清洗，然后再用丙酮超声波清洗，风干，采用磨损体积减小法计算TC4钛合金基体和镀Cu层的磨损率。利用SEM（扫描电子显微镜）对磨痕形貌进行观察，利用EDS（X射线能谱分析法）对磨损面和未磨损面的成分进行分析。⑥电镀液配方：电镀铜溶液：将CuSO4·5H2O和H2SO4溶于蒸馏水中，它们的含量分别为：CuSO4·5H2O150～200g/L，H2SO460～80ml/L。电镀镍溶液：硫酸镍140～180g/L，硫酸钠50～70g/L，硫酸镁25～30g/L，氯化钠8～10g/L，硼酸20～30g/L。⑦实验参数：电压范围：镀铜0.6～0.65V。镀镍3.0V。⑧实验检测：1、化学试剂及试样称重采用德国赛多利斯BP221S型，精度为0.1mg的电子天平；2、利用SEM对镀层形貌、磨痕形貌进行观察；3、利用EDS对镀层的化学成分进行观察、磨损面和未磨损面的成分进行分析；4、做金相显微组织实验，观察试样经电镀之后的均一性、晶粒大小和组织分布情况；5、根据划格试验对镀层的宏观结合力进行测试；6、清洗设备使用KQ—250B型超声波清洗器三、论文完成后提交的文件和图表（论文完成后提交的文件）1.计算说明书部分：（一）毕业论文任务书（二）毕业论文开题报告（三）毕业论文包括：1．封面2．中外文摘要3．目录4．正文5．致谢6．参考文献7．附录（四）英文文献翻译及原文复印件（五）毕业论文考核评议表（六）毕业论文答辩记录2、图片部分：（1）TC4钛合金电镀铜的SEM照片。（2）TC4钛合金电镀铜的EDS照片。（3）金相照片和样品外观照片。（4）划格试验测结合力的照片。四、毕业论文进程安排序号论文各阶段名称日期（教学周）1布置任务，下达任务书12搜集论文，阅读资料，熟悉课题2-33完成开题报告，熟悉实验设备44论证实验方案5-125整理数据136整理和修改毕业论文14-157毕业答辩16五、主要参考资料[1]沈志超，谢发勤，吴向清，等.TC4钛合金铜镀层的性能[J],中国表面工程，2012,10（25）：5.[2]SchutzRW,WatkinsHB.MaterialsScienceandEngineering[J],1998,A243:305.[3]林元华,付建红,施太和.天然气工业[J],2004,24(7):58.[4]张永强,王新虎.石油矿场机械[J],2008,37(2):78.[5]李鹤林，韩礼红，张文利.钢管[J],2009,38(1):1.[6]黄元盛，刘宏伟.热加工工艺[J],2008,37(20):64.[7]杜云峰，朱晓刚，孙志杰.浅论钛及钛合金的电镀工艺[J],科技论坛.