钛合金黑色微弧氧化

辩援青豫　钛合金微弧氧化的作用机理及特点研究　杨晗解念锁　陕西理工学院材料科学与工程学院陕西汉中　７２３００３　【摘要ｌ钛及其合金的其他表面改性处理方法较多，微孤氧化技术　具有膜层结合强度高、对环境无污染、钛合金零件外形尺寸变动不大等优　势。文章结合微弧氧化装置系统的组成及功能，论述了钛合金微弧氧化的　技术特点，分析了钛合金微孤氧化的作用机理。　【关键词】钛合金；微弧氧化；机理；技术特点　１　前言　钛及其合金具有密度小、强度大、耐海水腐蚀性能好、与生物体相　容性好等优点，是在航空、航天等工业部门有着重要应用的新型结构材　料。但是，钛及其合金具有容易与氧发生反应，硬度较低等缺点ｕ　。为了　提高金属钛及钛合金的使用性能，扩展钛及钛合金的应用领域，对其进　行表面改性处理，进一步扩大金属钛使用范围的有效途径。钛及其合金　的微弧氧化技术处理效率高、成本低、对环境无污染等优点，可以有效　地提高金属钛的抗磨损性能、抗腐蚀性能和抗高温氧化性能　。　２。钛合金微弧氧化机理分析　２．１钛合金微弧氧化装置系统的构成　钛合金微弧氧化工艺机理是选用一定的微弧氧化电解液，将钛及　其合金置于该电解液中，在一定的电参数作用下，利用电解液与钛及其　合金之间的电化学作用，在钛及钛合金材料表面产生微弧氧化的小弧　光，发生微区弧光放电现象。微区弧光放电过程中电解液与钛及其合金　之间的热化学作用、等离子体化学作用和电化学的作用，在高温条件下，　使得钛及其合金表面原位生长微弧氧化膜层，对钛及其合金表面进行　改性的新技术。　钛合金微弧氧化装置系统是由微弧氧化电源系统、电解槽系统（金　属一氧化物一电解液系统）、搅拌与测温系统、冷却系统等四部分组　成。微弧氧化电源系统中可采用不同电源模式的电源，通常有直流电　源，交流电源，单向脉冲电源，不对称交流电源，单极性直流脉冲电源，　多功能微弧氧化电源等。从电源功能性分析，多功能微弧氧化电源可提　供不同的微弧氧化工作方式，例如恒定电压工作方式以及恒定电流工　作方式。应用多功能微弧氧化电源常设有三种波形可供实验中选择，微　弧氧化过程中电解槽阴极和阳极之间的电压幅值在０一ＩＯ００Ｖ可调，脉　冲频率在２０Ｈｚ－１０ＫＨｚ调节，占空比可在１０％一９０％范围内进行调节。多　功能微弧氧化电源使得钛微弧氧化的工作电压、电流、脉宽、频率等微　弧氧化电参数可实时显示。　在钛合金微弧氧化电解槽系统中，钛合金样品作阳极，电解槽作　阴极，一般由不锈钢制成。不同的微弧氧化电解液，通过一定的工艺参　数，获得相应的膜层。微弧氧化的电解液通常选用硅酸盐、磷酸盐、硼　酸盐等，主要是含有一定金属或非金属氧化物的碱性盐溶液。微弧氧化　溶液的酸碱度对微弧氧化膜的形成及性能有一定的影响。搅拌系统可　提高微弧氧化电解液的温度和溶液体系组分的均匀，通常采用电解槽　中插入叶片搅拌法，或电解槽底部压缩空气对电解液进行搅拌法。测温　系统通常采用温度计或者温度传感器。冷却系统通常采用循环冷却水冷　却，循环冷却水冷却使得微弧氧化过程中电解液温度不超过相应温度，　一般保持在循环冷却水温度至４０￣Ｃ。因为，在钛合金微弧氧化过程中，　电解槽中电解液的温度允许范围较宽，电解液的温度较低时，微弧氧化　过程中散失的热量很快，微弧氧化膜层容易烧结，从而加快了氧化膜在　钛合金表面的生长速度，提高了氧化膜的致密性；如果微弧氧化过程中　电解液的温度较高，容易蒸发微弧氧化电解液，使得电解液的浓度变化　较大，氧化膜的溶解速度加快，通过搅拌系统和冷却系统，微弧氧化电　解液的温度一般控制在２０—６０￣Ｃ之间。　２．２钛合金微弧氧化机理分析　钛合金的微弧氧化过程是热化学、等离子体化学和电化学的复杂　综合作用过程，目前人们常用电击穿理论的热作用机理、机械作用机理　以及电子雪崩理论来分析钛合金微弧氧化现象　热作用机理认为，钛合　金微弧氧化的界面膜层的形成需要一临界温度，只有当局部温度超过　相应临界温度时，界面膜层才会产生电击穿。钛合金的微弧氧化的热作　用机理只能定性解释大电流密度时微弧氧化的电击穿现象，没有提出　相应的定量分析模型。钛合金的微弧氧化的机械作用机理认为，在一定　的氧化膜与电解液界面性质条件下，微弧氧化的电击穿现象才能产生，　微弧氧化时过程中基体钛合金具有金属材料的性能特点，膜层具有陶　瓷的性能特点，在膜层中形成压应力，容易形成裂纹，在一定得电参数　作用下，局部微裂纹中产生的大电流密度将导致相应的电击穿现象。机　械作用机理没有提出定量的理论模型，不能完全解释的钛合金的微弧　氧化过程的一些象。钛合金微弧氧化的电子雪崩机理认为，微弧氧化过　程中电子从溶液中注入氧化膜后，ｌ在一定的电压作用下，被电场加速，并　与其它原子发生碰撞，电离出电子，这些电子以同样的方式促使更多的　电子产生，形成电子雪崩。由于雪崩使得溶液中的阴离子也有可能因高　电场作用被捕获进入氧化膜。　３、钛合金微弧氧化技术特点分析　钛合金微弧氧化技术具有显著的特点，一是钛合金微弧氧化技术　把阳极处理电压提高到几百伏，突破了传统的阳极氧化处理技术中电压　法拉第区域的限制；氧化电流发展到大电流，突破了传统的阳极氧化处　理技术中电流法拉第区域的限制。由于火花放电的电压较高，形成微弧　氧化膜层组织就均匀，膜层孔隙度也就较小。有利于提高金属钛及钛合　金的使用性能，扩展钛及钛合金的应用领域。二是由于钛合金微弧氧化　技术是大电流、高电压形成的微等离子体的高温、高压作用，使钛合金　表面的氧化膜具有更好的物理化学特性，所以，在钛合金微弧氧化过程　中，样品表面会出现电晕、辉光、微弧放电，甚至火花斑的现象，使样品　表面的氧化层处在微等离子体的高温高压作用下发生组成相和相结构　的变化。有利于提高金属钛的抗磨损性能、抗腐蚀性能和抗高温氧化性　能　】。三是由于钛合金微弧氧化工艺过程中电解液具有流动性，流体能　在形状复杂及空心部件表面接触，从而形成均匀微弧氧化膜层，并能够　层均匀生长。四是是钛合金微弧氧化技术所制备的氧化膜具有内层结　构致密、外层结构粗糙、多孔的特征，形成明显的三部分组成结构，即　结构疏松层、结构致密层与界面层。三部分组成结构的外层空隙较大，　比较疏松，表面粗糙。内层是钛合金微弧氧化的主体，孔隙小，结构致　密，硬度高且耐磨。致密层下面是微弧氧化膜层与基体合金的界面层，　致密层的尺寸小，厚度比较薄，表面形状特点是凹凸不平的；致密层与　基体钛合金相互渗透，原位形成而相互契合，所以致密层与钛合金形成　冶金结合，与基体结合强度很高。五是钛合金微弧氧化工艺过程中电解　液的组分非常重要，不同的电解液的组分，形成不同的微弧氧化膜层的　成分和结构，膜层具有相应的性能。采用不同的电解液组分，能够获得　均匀的钛合金表面装饰性膜层、绝缘性膜层、隔热性膜层、光学特点膜　层以及在化工催化、医药制备、生物工程中应用的具有特定功能性的膜　层　参考文献　【Ｉ］吴向清，谢发勤．钛合金表面微弧氧化技术的研究［Ｊ】．材料导　报，２００５，１９（６）：８５－８７．　【２］解念锁，武立志．钛合金表面微孤氧化的影响因素及其应用［Ｊ］．热加　工工艺，２０１　１，４０（１２）：１　３０－－１３５．　【５】武立志，解念锁．Ｔｉ６Ａ】４Ｖ钛合金微弧氧化工艺研究．陕西理工学院学　报（自然科学版）［Ｊ］．２０１１，２７（２）：１—４．　作者简介　杨晗，１９９１年１１月生，男，汉族，陕西户县人，研究方向是动力与航空工　

山东建筑大学

大学生开放实验报告

项目编号（ ）

项目名称： 钛合金的微弧氧化处理工艺的研究

姓 名： 赵国建

所在专业： 材料科学与工程

专业年级： 热能390

联系电话：

指导教师： 李萍 职称 讲师

完成日期：

目 录

摘 要.................................................... 错误！未定义书签。

1前 言 ................................................................... 3

1.1 选题背景 ............................................................ 3

1.2 人体骨的结构和性能 .................................................. 3

1.3 钛及钛合金的生物性能 ............................... 错误！未定义书签。

1.4钛及钛合金表面生物活化——微弧氧化技术 .............................. 2

1.5 课题研究的意义及内容 ................................................ 5

1.5.1 课题研究的意义 ................................................. 5

1.5.2 课题研究的内容 ................................................. 5

分衍・检　

或２０￣／ｏＡｇ：Ｏ，样品的尺寸为　３６ｒａｍ。制　

备ＮｄＢＣ０样品时所用的原料分别为　

ＮｄＢａ２Ｃｕ３０　和Ｎｄ４Ｂａ２Ｃｕ２０ｌｏ．两种粉末的混　

合摩尔比为５：ｌ，同时加入适量的ＣｅＯ２和　

２０ｖ，￣／ｏＡｇ：０。样品经过热处理后，放入不锈　

钢圈中并用环氧树脂填充加固，目的是防止样　

品在充磁和冷却过程中产生径向裂纹，样品磁　

化后，用霍尔探头测量含不同量Ａｇ：０时样品　

（ＳｍＢＣＯ、ＮｄＢＣＯ）的温度和捕获磁通量的关　

系曲线．通过比较曲线发现．在ＳｍＢＣＯ样品　

中，随着温度的降低，Ｂｒ增加，当温度为２５Ｋ　

时，Ｂｒ达９．０Ｔ，远超过常规永磁体。但在低　温时，样品容易破碎，这是因为在制各样品时，　

有许多孔洞和显微裂纹产生，这些孔洞的存在　

严重影响材料的断裂韧性，这意味着为了增强　

样品的适用性，必须提高材料的断裂韧性　目　

前的方法是在发生包晶反应分解时改变制样　

时的气氛．可消除部分孔洞。同时加入　

１０￣１％Ａｇ：Ｏ，可以消除材料的显微裂纹．达　

到增加材料的断裂韧性的目的。另外，还可以　看出，ＳｍＢＣＯ、ＮｄＢＣ０的曲线走向是一致的。　

但ＮｄＢＣ０样品抗磁应力的能力比ＳｍＢＣＯ抗　

磁应力的能力差。　

样品磁化方法改变时，也可以改变其捕获　

磁通量中Ｔ的大小。从３种磁化方法获得样品　

的性能曲线分析，曲线总的走向是一致的，随　着脉冲磁场（ＰＦＭ）的增加，中Ｔ增加，当达到　

ＦＣ（磁场冷却）法的值之前，中Ｔ开始下降，这　

是因为快速运动的磁力线产生热的缘故。当用　

Ｐｅｒｍｅｎｄｕｒ方法磁化时佣铁钴做共扼磁体），　

中　增加，这时因为铁磁体的存在改变了样品　

周围磁力线分布。当用Ｐｅ￣ｍｅｎｄｕｒ＋ＩＩｖｌＲＡ（反　

复磁脉冲）方法磁化时，中Ｔ明显增加，可以达　

到ＦＣ法值的９ｏ％。当用ＰｕｌＳｅｌ＂方法磁化时，　

在低温时，因为钉扎机制，磁化很难进行，在　

３５Ｋ时．随着脉冲强度的增加，捕获磁通线密　

度先是急剧增加．随后减小。　

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钛合金微弧氧化膜层耐磨性能的研究

作者：刘国庆 贾锁杰

来源：《中国新技术新产品》2008年第23期

摘要：本文通过对钛及钛合金在NaAlO2+H3PO4,Na2SiO3溶液体系中，不同的微弧氧化电压、时间条件下，采用微弧氧化进行改性表面。通过分析实验现象和测试结果，研究工艺参数对所形成的膜层结构、形貌、厚度及耐磨性的影响。所得到的膜层摩擦系数都比基体的摩擦系数大；在试验中,发生了粘着磨损；表面粗造度对摩擦系数有一定的影响。从摩擦寿命来看,

TA2膜层与TA10膜层在硅酸盐体系中的寿命较短, 在NaAlO2+H3PO4体系中寿命较长。膜层厚度越厚，耐磨性越好。

关键词：钛合金；微弧氧化；耐磨性

1前言 微弧氧化技术（MAO－Microarc Oxidation）等。该技术是最近几年在阳极氧化的基础上法装起来的，但两者在机理上、工艺上以及膜层性能上有许多不同之处。微弧氧化是将Al、Mg、Ti等阀金属或合金置于电解质中，利用电化学方法，在该金属的表面产生火花放电斑点，在热化学，等离子体化学和电化学的共同作用下，在这些材料表面原位生长氧化陶瓷膜层的新技术。

钛及钛合金以其较高比强度及良好的耐蚀性比广泛用于航空航天化工体育及医疗等领域。

但有些条件下钛耐磨性使的耐蚀性大大下降，如在尿素合成塔CO2入口管处，腐蚀率达0.6mm/a。某锌厂钛制沙子泵不耐磨损腐蚀而无法使用。前苏联米格八直升机发动机压气机第六级整流叶片因冲刷腐蚀导致疲劳破坏。钛易产生麻面,较难用于滑动摩擦的部件。

对钛合金作为工业化材料进行表面改性，改性后其耐磨性能性能是体现其改性价值的最主要指标之一。通过研究发现，微弧氧化后的钛合金表面富含组成陶瓷材料的成分，并且其含量及其原子比值可在适当范围内进行调控，但是有关微弧氧化膜层具体的耐磨性能性能并不清楚。鉴于此，本章将进行摩擦磨损试验，探讨钛合金微弧氧化膜层的耐磨性能性能性。