不同NaOH濃度對TC4鈦合金微弧氧化的影響*

陳 乾，雷源源

(貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州貴陽550003)

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不同NaOH濃度對TC4鈦合金微弧氧化的影響*

陳 乾，雷源源

(貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州貴陽550003)

在磷酸鹽體系中采用不同濃度NaOH對TC4鈦合金進行微弧氧化處理，在其表面制得陶瓷膜層，利用掃描電鏡對膜層形貌結(jié)構(gòu)進行分析，并在20%H2SO4溶液中作腐蝕實驗。結(jié)果表明，陶瓷膜層與基體結(jié)合良好，表面呈微孔形貌，與基體相比，硬度及耐腐蝕性得到提高，NaOH濃度對陶瓷層的影響不是線性關(guān)系，濃度太高或太低都將影響微弧氧化的處理效果。通過實驗比較得出NaOH濃度為1 g/L維護氧化處理后的效果較好，生成的陶瓷膜表面光滑平整，且處理后的試樣硬度較好。

鈦合金 微弧氧化 陶瓷膜層

0 引言

鈦合金具有強度高、密度低、耐蝕性好的特點，廣泛應(yīng)用于航天、航空、化工及生物醫(yī)療領(lǐng)域[1]，但是由于硬度較低限制了其應(yīng)用。對鈦合金進行表面處理，可以顯著提高鈦合金表面的硬度[2]。目前鈦合金表面處理技術(shù)主要有陽極氧化、化學(xué)鍍及電鍍、微弧氧化、電脈沉積和納米沉積[3]。其中，在普通陽極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的微弧氧化技術(shù)，近20年來在國內(nèi)外迅速發(fā)展，已經(jīng)成為鈦合金表面改性技術(shù)研究的熱點[4]。本文采用磷酸鹽體系下不同NaOH濃度對TC4鈦合金進行微弧氧化，然后觀察其表面形貌和確定生成相組成，探索微弧氧化陶瓷膜層的結(jié)構(gòu)形貌以及對性能的影響。

1 實驗材料與方法

實驗材料為TC4鈦合金，電解液采用磷酸鹽體系，配方為：磷酸鈉6 g/L ， 硅酸鈉4 g/L , 鎢酸鈉4 g/L ， Na2EDTA 2g/L。電解液配方中的NaOH濃度不同，分別為第一組①不加NaOH、第二組②NaOH濃度0.5 g/L、第三組③NaOH濃度為1 g/L，第四組④NaOH濃度為1.5 g/L。實驗參數(shù)為：電壓400 V，占空比0.3% ，頻率600 Hz。微弧氧化實驗在自制的微弧氧化實驗裝置上進行，該裝置主要由微弧氧化實驗槽、電源、控制系統(tǒng)、攪拌器和冷卻系統(tǒng)組成。在進行微弧氧化前，對鈦合金表面進行預(yù)處理，表面用砂紙打磨，然后用拋光機進行機械拋光，為了除去試樣表面的油類污染物，采用丙酮除油，最后去離子水清洗，吹干后放入電解槽中進行微弧氧化處理，本實驗起弧時間15 min，反應(yīng)時間40 min， 微弧氧化后取出，洗去殘留在試樣表面的電解液，吹干，放入樣品袋中為后續(xù)測試使用。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 表面形貌分析

洗凈吹干后的試樣表面經(jīng)過ZHD-230A型電阻加熱蒸發(fā)鍍膜機表面噴金后，在KYKY-2800B掃描電鏡下對微弧氧化膜層進行表面形貌特征的觀察。試樣微弧氧化后的掃描圖如圖1所示。其中(a)是第二組②試樣，(b)是第三組③試樣。從(a)中可以看出膜厚約10.1 μm，(b)是表層形貌。陶瓷層的表面是由一些微小的類似于“火山堆”形狀的物質(zhì)相結(jié)合而構(gòu)成的，在每個小“火山堆”的中心都有一個小孔，這個孔就是溶液與基體的反應(yīng)通道，也是電火花產(chǎn)生時，熔融態(tài)的氧化物噴發(fā)出來時經(jīng)過的通道，由于我們在實驗過程中加在試樣兩端的電壓為400 V不是很高，所以在圖中看到的小孔不是很大。在反應(yīng)過程中電火花的作用下，氧化陶瓷層以小孔為中心，經(jīng)過生成氧化物的不斷熔化和迅速凝固并相互結(jié)合而增厚。

(a) (b)圖1 陶瓷膜層的SEM照片

2.2 膜層性能分析

本實驗使用的是HV-1000顯微硬度計測試膜層的硬度，試驗條件：F=0.98 N，T=10 s，分別對微弧氧化處理過的氧化膜層的硬度進行多次測量，每個試樣測量5次，取其平均值。TC4反應(yīng)前后的硬度值具體數(shù)據(jù)如表1所示。NaOH濃度對陶瓷層硬度的影響不是線性關(guān)系，與沒有NaOH濃度的微弧氧化相比，在一定范圍內(nèi)NaOH濃度高的微弧氧化后硬度要大一些。這是因為氫氧化鈉主要提供堿性環(huán)境調(diào)節(jié)PH值，同時提高電解液的電導(dǎo)率，但超過一定范圍，氫氧化鈉濃度過高會使溶液電導(dǎo)率過高，使微弧氧化過程電流增大，導(dǎo)致電壓增加不上去從而制約反應(yīng)的進行，使微弧氧化后硬度反而下降。

表1 試樣反應(yīng)前后硬度值

將第三組③NaOH濃度為1.0 g/L的試樣與基體材料同時浸泡于20%H2SO4酸性溶液中，在水浴箱中30℃條件下浸泡4 h，洗凈后吹干后，在光學(xué)顯微鏡下照片如圖2所示。腐蝕后的光學(xué)顯微鏡照片均是在200×下得到。

(a)基體 (b)③試樣圖2 試樣經(jīng)腐蝕后光學(xué)顯微鏡照片

基體材料表面出現(xiàn)很多的腐蝕點，有明顯的腐蝕坑，經(jīng)微弧氧化處理后的試樣表面腐蝕后比基體的腐蝕后的試樣表面要平整光滑，陶瓷層表面有一些氣孔被覆蓋，有少量的腐蝕產(chǎn)物，但并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕點，微弧氧化陶瓷膜對基體起到了有效的保護作用，顯示出陶瓷氧化層的良好的耐蝕性。本實驗測量腐蝕實驗前后試樣的質(zhì)量，每個試樣測量5次，取其平均值，其結(jié)果如表2所示。

表2 腐蝕性試驗質(zhì)量損失對比表

根據(jù)腐蝕后試樣質(zhì)量的減小，用下式計算腐蝕速度：

3 結(jié)論

在磷酸鹽體系下采用不同NaOH濃度對TC4鈦合金進行微弧氧化處理，在其表面制得陶瓷膜層，膜層與基體結(jié)合良好，厚度達(dá)到10 μm。NaOH濃度對鈦合金微弧氧化陶瓷膜的性能影響不是簡單的線性關(guān)系，NaOH主要起提高電解液電導(dǎo)率的作用， NaOH濃度太高或太低都將影響微弧氧化效果，不能得到理想的陶瓷層。通過實驗比較得出NaOH濃度為1 g/L維護氧化處理后的效果較好，生成的陶瓷膜表面光滑平整，且處理后的試樣硬度較高。

[1] 李梁，孫健科，孟祥軍.鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].鈦工業(yè)發(fā)展，2004,21(5):19-24.

[2] 楊俊，蘭林，歐陽貴. 鈦及其合金表面處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[C].全國轉(zhuǎn)化膜技術(shù)學(xué)術(shù)報告年會論文集,2010.

[3] 姜海濤，邵忠財，魏守強. 鈦合金表面處理技術(shù)的研究進展[J].電鍍與精飾,2010,35 (6):10-15.

[4] 鐘濤生，蔣百靈，李均明.微弧氧化技術(shù)的特點、應(yīng)用前景及其研究方向[J].電鍍與涂飾，2005，24(6):47-50.

The influence of different NaOH concentration on the microarc oxidation of TC4 titanium alloy

CHEN Qian, LEI Yuanyuan

In this study, different concentration of NaOH was adopted for the microarc oxidation treatment of TC4 titanium alloy, and a ceramic coating was formed on its surface. Scanning electron microscopy (SEM) was used to analyze the structure of the coating, and corrosion experiments were carried out in 20% H2SO4solution. The results showed that, the ceramic coating and the alloy bonded well, the surface showed micropore structure, and the hardness and the corrosion resistance of the alloy were improved. The influence of NaOH concentration on the ceramic coating did not follow linear relation, too high or too low concentration would impair the effect of microarc oxidation. Experimental comparison showed that when NaOH concentration was 1 g/L, the effect of microarc oxidation was best, the ceramic coating was smooth, and the processed sample had satisfactory hardness.

titanium alloy，microarc oxidation，ceramic coating

TG178

A

1002-6886(2016)05-0086-03

貴陽市科技計劃項目(筑科合同[2011205]5-9)。

陳乾(1992-)，男，貴州省松桃縣人，本科在讀。

雷源源(1975-)，女，碩士，副教授，主要從事教學(xué)和新材料的研究及應(yīng)用。

2016-04-26