刘兴斌，叶晖，翟绘丰 西安航天发动机厂，陕西西安 710100
摘要：通过理论分析和工艺试验等方式，探索了由性能差异较大的不同材料组成的换热器选择性电镀工艺方法。采用局部遮蔽、浸蚀溶液的选择、预镀工艺的确定等方式，保证了组合件上各型面、各材料上的镀层质量，换热器上局部镀覆层既满足钎焊性，同时又满足高温抗氧化性的功能要求，并顺利完成了钎焊和热试车。本研究成果已在多个结构复杂的换热器上得到推广应用。
关键词：换热器；钎焊性；抗氧化性
中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1672-9374(2011)03-0042-06
0·引言
换热器是新型发动机中的气体增压部件，属于多通道夹套式钎焊结构件，存在钎焊面和介质面交错的复杂结构，涉及材料有QCr0.8，GH202，0Cr18Ni10Ti，S-03等，要求镀层具有钎焊性和高温抗氧化性，能经受试车过程中的高温。
在产品研制过程中，通过对换热器结构、材料、镀层性能要求等特殊情况进行充分分析，结合大量工艺试验和试生产，确定了换热器表面处理的工艺方法和各项工艺参数。镀层性能满足要求，并经受了多次热试车考核，质量完全满足工况需要。
1·产品的结构特点和技术要求
换热器是新型发动机全系统中的氧化剂贮箱气体增压部件，作用是确保发动机正常工作所需的推进剂供应压力。产品具体型面结构见图1。
换热器属于多通道钎焊的组焊结构，主要由S-03，0Cr18Ni10Ti，GH202和QCr0.8四类材料构成。
在换热器研制过程中，设计要求换热器内、外钎焊面和非钎焊面电镀Ni10～15μm的技术要求，其中钎焊面上的镀层作为后续与其它组件焊接需要，非钎焊面镀层作为工作时的高温抗氧化性保护镀层使用。
2·理论分析
2.1镀镍原理
电镀是将接受电镀的部件浸于含有被沉积金属化合物的水溶液中，以电流通过镀液，使电镀金属析出并沉积在部件上。一般电镀有镀锌、铜、镍、铬、铜镍合金等。换热器镀镍均选用普通镀镍，即镀暗镍。镍是一种带微黄的银白色金属，密度8.9g/cm3，熔点1452℃。镍镀层具有较高的硬度、良好的抛光性和可钎焊性。镍在空气中和碱液中化学稳定性好，有机酸中稳定性好，硫酸和盐酸中溶解很慢，浓硝酸中处于钝化状态，但在稀硝酸中不稳定。在空气中镍与氧作用，表面迅速生成一层极薄的钝化膜，能抵抗大气、碱和一些酸的腐蚀。
镍镀层结晶细小，容易抛光。镍的电极电位比铁正，钝化后电势更正，因而铁基上的镀镍层是阴极镀层。镍镀层孔隙率高，只有当镀层厚度超过25μm时才是无孔的，所以，一般不单独作为钢铁基的防护性镀层，而是作为防护-装饰性镀层体系的中间层和底层。从添加光亮剂的溶液中获得光亮镍镀层有一定的脆性，防护能力较差。镍的屏蔽效果比较好，抗电磁干扰能力强，广泛应用于电子机械箱体的表面处理。
镍镀层的应用可分为防护装饰性和功能性两方面。作为防护装饰性镀层，镍可以镀覆在低碳钢、锌铸件、某些铝合金、铜合金表面上，保护基体材料不受腐蚀，并通过抛光暗镍镀层或直接镀光亮镍的方法获得光亮的镍镀层，达到装饰的目地。塑料经过处理后也可镀镍，使塑料零件金属化。在功能性应用方面，主要用于修复性电镀，在被磨损的、被腐蚀的或加工过度的零件上镀覆修复尺寸。
镀镍的类型很多。以溶液成份来分，有硫酸盐、硫酸盐-氯化物、全氯化物、柠檬酸盐和氟硼酸盐等镀镍；以镀层外观来分，有无光泽镍（暗镍）、半光亮镍、全光亮镍、缎面镍、黑镍等。表面处理行业常用镀镍工艺为镀暗镍工艺，溶液中不含络合剂，电极反应是简单的金属镍离子的还原，能得到结晶细致、致密和均匀的镀层，其主要原因是在极性较强的水分子作用下，各个化学成分发生电离反应，溶液中形成大量的阴、阳离子，在电场作用下，阴离子会大量向阳极移动，阳离子向阴极移动。由于Na+、H+等阳离子与Ni2+析出电位相差较大，即析出的趋势极小，镀镍过程就成为Ni2+离子的析出过程，所以在镀层沉积过程中形成的镍镀层具有结晶细致、纯度高等特点。
2.2镍溶液成分及作用
1）硫酸镍：是溶液中的主盐，是镍离子的主要来源。硫酸镍含量低，溶液分散能力好，镀层结晶细致，容易抛光，但阴极电流效率和极限电流密度低，沉积速度慢；硫酸镍含量高，允许使用的电流密度大，沉积速度快，但溶液分散能力稍差。
2）氯化镍：在只有硫酸镍的溶液中通电，镍阳极的表面容易钝化，影响镍阳极的正常溶解，溶液中的镍离子含量迅速减少，导致溶液性能恶化。加入氯离子，能显著改善阳极的溶解性，还能提高溶液的导电性，改善溶液的分散能力，因而氯离子是镀镍溶液中不可缺少的成份。氯离子含量过高，会引起阳极过腐蚀或不规则溶解，产生大量阳极泥并悬浮于溶液中，使镀层粗糙或形成毛刺。
3）硼酸：在镀镍时，由于氢离子在阳极表面放电，会使溶液的PH值逐渐上升，当PH值过高时，阳极表面附件的氢氧根离子与金属离子形成氢氧化物夹杂于镀层中，使镀层外观和力学性能恶化。硼酸在水溶液中会离解出氢离子，对溶液的PH值起缓冲作用，保持溶液PH值相对稳定。硼酸含量过低，缓冲作用太弱，PH值不稳定；含量过高，硼酸容易析出，造成镀层出现毛刺等。
4）硫酸钠：是导电盐，使溶液具有良好的导电性，加入后可使镀暗镍在常温下进行。
2.3材料性能分析
换热器选用的材料成分见表1。这四种材料由于化学成分的不同，其化学、电化学性质也存在明显的差异，因而在进行表面处理时需有其相应的前处理方法，以保证镀层质量，对单一材料实施电镀从工艺上来讲是完全可行的，但当上述几类材料焊接成组件后，因为前处理方法的差异，从理论上分析要保证不同材料上的镀层同时实现较高的结合强度存在难度。
2.3.1QCr0.8材料分析
QCr0.8是含铬量0.8%的青铜合金，其中含有的其他元素基本为金属元素，材料本身具有对氢脆不敏感、浸蚀残渣较少、耐蚀性较低等特点。在对QCr0.8电镀前处理时，经过一般的化学除油、浸蚀和光亮浸蚀，不进行其它预镀层等措施，即可保证镀层结合强度，一般除油选用弱碱性中温溶液进行；浸蚀选用稀硫酸溶液；光亮浸蚀选用硫酸和铬酐的混合溶液，因QCr0.8材料浸蚀残渣少，本工序可以不进行。
铜合金电镀工艺流程：
除油→浸蚀（稀硫酸）→光亮浸蚀（可不进行）→镀镍
2.3.2S-03，0Cr18Ni10Ti和GH202材料分析
S-03材料属于含铬量中等的不锈钢类材料，耐蚀性较其它含铬量较高的不锈钢低；1Cr18Ni9Ti材料为含铬量较高类不锈钢，具有较强的耐蚀性；GH202材料属于镍基高温合金钢，具有较0Cr18Ni10Ti材料更高的耐蚀性，在不锈钢酸洗的混合酸中一般不会形成过腐蚀。
