磷酸盐溶液钛合金微弧氧化膜影响因素的研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 濑潮霉蔫　｛Ｉ｛皇；誉　磷酸盐溶液钛合金微弧氧化膜影响因素的研究　沈阳理工大学材料科学与工程学院（１１０１６８）　李玉海　贾红蕊　金光　【摘要】采用脉冲电源于ＮａＨ　ＰＯ　＋ＮａＦ溶液中对Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ进行微弧氧化。于Ｔｉ６Ａ１４Ｖ表面形　成了氧化物陶瓷膜。综合研究了电解液浓度、电压、氧化时间对膜厚的影响，利用扫描电镜、Ｘ　射线衍射研究了陶瓷膜的组织结构。结果表明：在恒定的电参数下，随电解液浓度提高，电压升　高，膜层粗糙度加大，由亚稳态的锐钛矿相ＴｉＯ　向高温稳定的金红石相Ｔｉ０　转变；随氧化时　间的延长，膜厚逐渐增加，达到一定时间后膜厚趋于平稳。　关键词　钛合金　微弧氧化　陶瓷膜层　组织结构　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　Ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏａｒｃ　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　Ｆｉｌｍｓ　ｏｎ　Ｔｉｔａｎｉｕｍ　Ａｌｌｏｙ　ｉｎ　Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　Ｔｉ６Ａ１４Ｖ　ａｌｌｏｙ　ｗａｓ　ｔｒｅａｔｅｄ　ｂｙ　ｍｉｃｍａｒｃ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ＮａＨ　２　ＰＯ４＋ＮａＦ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｐｕｌｓｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ａｎｄ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｏｘｉｄｅ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｗｅｒｅ　ｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｏｘｉｄｅ　ｔｉｍｅ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｂｙ　Ｘ—ｒａｙ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ　ｆｉｌｍ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ；ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ＴｉＯ２　ｃｈａｎｇｅｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ　ａｎａｔａｓｅ　ｔＯ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔａｂｌｅ　ｒｕｆｆｌｅ；ｆｉｌｍ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｗｉｔｈ　ｏｘｉｄｅ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｓｔｅａｄｙ　ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ，ｍｉｃｒｏａｒｃ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ，ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏａｔｉｎｇｓ，ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ　中图分类号：ＴＧ１７８　文献标识码：Ａ　钛合金综合了高比强、高熔化温度和高抗腐蚀　ｋｇ／ｍｍ。）。在磷酸盐电解液中形成的膜层显著减小　等性能，在许多工业部门如航天、海运和生物医学领　对钢的非润滑摩擦，摩擦因数减小到　一０．１８。铝酸　域获得了广泛应用【　］。但因其摩擦因数大、耐磨损性　盐磷酸盐电解液中形成的更硬更厚的膜层在１　０００　能差，从而限制了更广泛的应用。钛合金微弧氧化　ＩＴＩ的滑动距离下具有最小的磨损速率（３．４×　（ＭＡＯ）陶瓷膜技术是钛合金表面工程的一项新技　１０　Ｆｌｉｍ。／Ｎｍ），但是，此过程中由于材料从钢球表　术口　］。当电压值超过钝化氧化膜的击穿电压时，试　面转移到膜层表面，其摩擦因数仍保持在０．６～　样表面产生弧光放电，在弧光放电产生的瞬时高温　０．７。更深入的研究将放在对铝酸盐磷酸盐电解液　高压作用下于钛合金表面生长出一层厚的陶瓷氧　组分进行优化，力求在钛合金表面获得厚的、硬的且　化膜。制备的陶瓷层既有高的耐磨损及耐腐蚀性能，　与基底结合良好的氧化物陶瓷膜。但是，对影响膜层　又保持了陶瓷与基底的结合力，此外，对一些复杂形　生长过程因素及生长特点的研究却鲜有报道。研究　状工件（如圆柱、圆锥、球形及其它不规则形状）内　影响膜层生长过程因素及生长过程中膜层特性的变　表面制备涂层时，传统的方法如ＰＶＤ／ＣＶＤ，离子注　化规律，有助于对膜层形成机制的理解，进而有利于　入等就无能为力，而这一点也正是微弧氧化法的一　对膜层结构进行有效控制。发展了磷酸盐电解液体　个优势所在［４］。选择合适的电解液组成是微弧氧化　系，采用电脉冲控制方式，辅以合适的电参数，研究　涂层成膜的关键，开发新型的电解液体系及电解液　了钛合金微弧氧化涂层生长过程的特点、膜层的结　新配方，已引起研究者的极大兴趣，并仍在探索之　构特征与相组成的变化。　中。Ａ．Ｌ．Ｙｅｒｏｋｈｉｎ等采用交流电源对不同电解水　采用扫描电镜（ＳＥＭ）和小角Ｘ射线衍射　溶液条件下的Ｔｉ６Ａ１４Ｖ合金表面进行微弧氧化，发　（ＧＸＲＤ，Ｐｈｉｌｉｐｓ　Ｘ’Ｐｅｒｔ）对涂层进行物相分析，涂　现在铝酸盐一磷酸盐电解液中形成的陶瓷膜层均匀　层厚度测试仪ＴＴ２３ｏ测量涂层的厚度。为膜层的优　且致密，膜层最佳厚度为５０～６０／＊ｍ，主要由　化设计提供试验数据。　Ａ１　Ｔｉ０　和金红石相组成，努普显微硬度　５７５　ｋｇ／ｍｍ。，和基底之间具有高的黏附力；在磷酸　ｌ　实验材料及方法　盐和铝酸盐一硫酸盐溶液中形成的金红石一锐钛矿　采用俄罗斯进口微弧氧化装置对Ｔｉ６Ａ１４Ｖ　膜层非常薄（２．５～７　ｍ），且相对较软（３０５～３７５　合金进行表面陶瓷化处理，装置主要由高压脉冲　《新技术新工艺》・热加工工艺技术与装备　２００６年　第３期　・４７・　维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com ｍ　．　：。　膜层表面的击穿孔径增大，大的微孔径有４　Ｆｍ左右，大　小微孔间的孔径差别大，微孔与微孔之间出现层次覆盖、　３　结语　搭接生长的现象，孔之间已无明显的界限，微孑Ｌ的数量明　１）随浓度的增加，时间的延长，膜层厚度增　显减少，表面变得粗糙、不平。说明微弧氧化过程中，当试　加，达到一定时间和浓度后膜层厚度基本保持　样处于高的电压作用时所生长的陶瓷层的电场强度和磁　不变。　场强度较大，从而微弧氧化反应过程中所获得的驱动力　２）电压增大膜溶解速度大于膜生成速度，微弧　就较大，瞬间击穿变得愈剧烈，使试样表面变得更加　持续时间短，表面粗糙度增加。　粗糙。　３）增加浓度因素会使膜由亚稳态的锐钛矿相　２．３　电参数对膜相结构的影响　向高温稳定的金红石相转变。　２．３．１　浓度对膜相结构影响　’　［参考文献］　图８和图９为钛合金在不同浓度电解液（电　压、时间保持不变）中处理后的相分布图。由图可　［１］１）ｏｎｇ　Ｈ，Ｂｌｏｙｃｅ　Ａ，Ｍｏｒｔｏｎ　Ｐ　Ｈ，ｅｔ　ａｌ，Ｓｕｒｆａｃｅ　以看出膜层主要由金红石相和锐钛矿相组成。随　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｕｅ　ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｔｉ６ＡＩ４Ｖ　浓度加大，高温稳定的金红石相对含量增加，　［Ｊ］．ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｌ９９７，ｌ３（５）：４０２　４０６．　￣－ＴｉＯｚ相消失。　［２］Ｇｎｅｄｅｎｋｏｕ　Ｓ　Ｖ，Ｇｏｒｄｉｅｎｋｏ　Ｉ　Ｓ，Ｓｉｎｅｂｒｙｕｋｈｏｕ　Ｓ　Ｉ　，ｅｔ　ａ１．ｒｕｓｓｉａｎ　ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｅｄ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０００，７３（１）：６　９．　［３］Ｘｕｅ　Ｗ　Ｂ，Ｗａｎｇ　Ｃ，Ｃｈｅｎ　Ｒ　Ｙ，ｅｔ　ａ１．Ｍａｔｅｒ．Ｌｅｔｔ．，　２００２，５２（６）：４３５－４４１．　Ｅ４］Ｐａｔｅｌ　Ｊ　Ｉ　，Ｓａｋａ　Ｎ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．Ｂｕｌｌ，２００１，８ｏ　（４）：２７—２９　［５］王亚明，蒋百灵，雷廷权，等．电参数对Ｔｉ６Ａ　Ｌ４Ｖ合金微　弧氧化陶瓷膜结构特性的影响．无机材料学报，２００３，１８（６）：　１　３２５一】３３Ｏ．　图８　微弧氧化膜ｘ射线衍射图　图９　微弧氧化膜ｘ射线衍射图　责任编辑　吕德龙　（【，－一１８０　ｖ，ｆ一８　ｍｉｎ）　（【，一１８０　Ｖ，￡一８　ｒａｉｎ）　２５　ｇ／Ｃ　ＮａＨ２ＰＯ４＋１０　ｇ／ｌ　ＮａＦ　５５　ｇ／Ｌ　Ｎａｉｌ２ＰＯ４＋２２　ｇ／Ｉ　ＮａＦ　２．３．２　电压对膜相结构影响　图１Ｏ与图１１为钛合金经不同电压（浓度、时间　保持不变）微弧氧化膜的相分布图。由图可以看出　微弧氧化膜层随电压加大，出现了ｐ　Ｔｉ０　相，亚稳　态的锐钛矿相含量增加，高温稳定的金红石相对含　量减少。　Ｏ锐钛矿　Ｏ锐钛矿　★金红石　★金红　ｉ　△６－Ｔｉ２Ｑ　Ａ　Ｂ＿ＴＩ２Ｑ　－－＿　瞧　戏　．ｉ娃～　图】０　Ｕ一５５０Ｖ时ｘ射线衍射图谱图ｌｌ　Ｕ一１８０Ｖ时ｘ射线衍射图谱　注：４５　ｇ／Ｌ　ｒ、ｈ　Ｐ（　＋ｌ８　ｇ／ＬＮａＦ，４５　ｇ／ＬＮａ　Ｉ　＋１８　ｇ／ＬＮａＦ，　ｔ一８ｗｉｎ　￡一８　ｎｉｎ　《新技术新工艺》・热加工工艺技术与装备　２００６年　第３期　‘４９‘