Ti6Al4V钛合金微弧氧化工艺研究

2011年6月 陕西理工学院学报(自然科学版)June .2011第27卷第2期 Journal o f Shaanx i U nivers it y of T echno logy (N atura l Sc ience Edition)V o.l 27 N o .2[文章编号]1673-2944(2011)02-0001-04T i 6A l 4V 钛合金微弧氧化工艺研究武立志, 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] 采用直流稳压电源,选用3种不同P H 值的碱性微弧氧化电解液,在T i 6A l 4V 钛合金表面制备微弧氧化膜层;应用扫描电子显微镜分析微弧氧化膜层形貌特征。

结果表明,钛合金微弧氧化膜层表面凹凸不平,带有微米级和亚微米级的孔洞,孔洞周围呈现火山丘状形貌特征;微弧氧化电解液P H 值越大,火花放电时间越长;在给定电压条件下,电解液P H 值越大,微弧氧化膜层厚度越大。

[关 键 词] T i 6A l 4V 钛合金; 微弧氧化; 形貌特征[中图分类号] TG146.2 [文献标识码] A收稿日期:2010-11-30作者简介:武立志(1987-),男,安徽省肥东人,硕士研究生,主要研究方向为有色金属表面强化工艺及性能;通信作者:解念锁(1963-),男,陕西省户县人,陕西理工学院教授,硕士生导师,主要研究方向为金属基复合材料的制备及应用。

随着材料科学的迅速发展,有色金属新材料的制备及应用更加广泛[1]。

我国是一个人均有色金属资源很少的国家,加强铜、锌、钛等新型有色金属材料的开发应用,提高有色金属材料的资源利用率,延长其使用寿命具有一定的实际意义[2,3]。

钛合金由于具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于航空航天、军事武器、石油化工、生物医学等各个领域。

T i 6A l 4V 合金具有耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好的特点,成为钛合金工业中应用最广泛的合金[4,7],该合金使用量已占全部钛合金的75%~85%,许多其他钛合金是T i 6A l 4V 合金的改型牌号。

然而,钛合金也有硬度低、抗微动磨损性差、高温抗氧化性弱的缺点,对钛合金进行表面处理,获得稳定的耐磨的改性层是进一步扩大钛合金使用范围的有效途径[8,9]。

本文选用以硅酸钠为主的硅酸盐体系碱性微弧氧化电解液,用Na OH 调整电解液的P H 值,在T i 6A l 4V 钛合金表面制备微弧氧化膜层,研究膜层的形貌特征,分析PH 值对火花放电时间和膜层厚度的影响规律,为挖掘钛合金的应用潜力提供依据。

1 试验材料与方法1.1 试验材料试验材料选用厚度为3mm 的T i 6A l 4V 钛合金板材,T i6A l4V 的化学成分如表1所示。

用去离子水配制3组微弧氧化电解液:A 组PH 值为12.17,电解液组成为15g /L Na 2S i O 3,10g /L Na 3PO 4;B 组P H 值为13.58,电解液组成为15g /L Na 2S i O 3,10g /L Na 3PO 4,1g /L N a OH;C 组P H 值为13.89,电解液组成为15g /L N a 2S i O 3,10g /L Na 3PO 4,5g /L Na OH 。

表1 T i 6A l 4V 的化学成分(质量分数)元素名称T i A l V F e S i 元素含量余量5.5%~6.75%3.5%~4.5%0.30%0.15%元素名称C N H O 其它杂质元素含量0.10%0.05%0.0125%0.20%>0.40%1.2试验方法应用WYK-3002型直流稳压电源,采用JB90型无极调速电动搅拌机,在自制的循环水冷却微弧氧化装置中进行微弧氧化试验。

先用HCKX320A 型数控电火花线切割机将钛合金板材加工成尺寸为25mm @10mm @3mm 试样,再用1200号金刚石金相砂纸磨平试样表面,以丙酮为清洗液,用KQ -50B 型超声波清洗器清洗试样;用P H S-25型数显P H 计测量微弧氧化电解液的P H 值;用精密螺旋测微器测量微弧氧化膜层厚度,每次测量5点,膜层厚度取其平均值;用JS M -6390LV 型扫描电子显微镜分析钛合金微弧氧化膜层的形貌特征。

2 试验结果及分析2.1 不同电压下微弧氧化膜层的形貌特征图1为不同电压下所制备微弧氧化陶瓷膜的微观形貌。

从图中可以看出,陶瓷膜表面凹凸不平,带有微米级和亚微米级的孔洞,部分大孔洞中嵌套了尺寸较小的孔洞,微孔洞周围呈现火山丘状形貌特征。

随着电压的升高,微弧氧化膜中的孔洞尺寸不断增大,孔洞的数量减少,氧化膜表面粗糙度程度增大,致密性下降。

这是因为随电压的增加,能量逐渐增大,反应逐渐强烈,产生的熔融物逐渐增多,反应过程中生成的微弧氧化膜不能完全和周围氧化物产生愈合,从而在表面留下较大的孔径;另一方面,随着反应的逐渐增强,熔融物向外喷射的程度也逐渐增大,甚至导致微熔区发生小范围的飞溅现象,在微弧氧化溶液的急速冷却作用下,熔融物迅速凝固形成大的氧化物颗粒,使形成的氧化膜变得粗糙,致密性下降。

微弧氧化膜中的表面微孔是微弧氧化过程中等离子放电通道,熔融物基体和氧化物沿该通道喷出,形成微孔周围的火山丘状形貌。

图1 不同电压下T i 6A l4V 微弧氧化膜的SE M 形貌2.2 不同电解液下微弧氧化电流和电压的变化特点2.2.1 微弧氧化电压随时间的变化特点图2是T i 6A l4V 钛合金在15g /L Na 2S i O 3,10g /L Na 3PO 4和15g /L N a 2S i O 3,10g /L N a 3PO 4,1g /L N a OH 两种电解液体系中,微弧氧化过程中电压随时间的变化曲线。

分析图2可知,在微弧氧化初期电压随时间呈现出不断上升趋势,至最大电压300V 后保持稳定。

在含有1g /L Na OH 的电解液中,微弧#2# 陕西理工学院学报(自然科学版) 第27卷氧化初期电压开始上升较慢,电压升到300V 所需时间比未加Na OH 条件下的时间更长。

这是因为加1g /L N a OH 的电解液电导率高,溶液电阻小,电压增长较慢,使产生火花放电时间长,为生长厚而优质的微弧氧化涂层提供了先决条件。

2.2.2 微弧氧化电流随时间的变化特点图3是T i 6A l4V 钛合金在15g /L Na 2S i O 3,10g /L Na 3PO 4和15g /L N a 2S i O 3,10g /L N a 3PO 4,1g /L N a OH 两种电解液体系中,微弧氧化电流随时间的变化曲线。

由图3可知,在15g /L Na 2Si O 3,10g /L N a 3PO 4电解液中微弧氧化时电流起始值为0.68A,在电压不断上升时,电流稳定不变;当在电压升至300V 时,电流瞬时减到0.35A,然后电流在0.35~0.05A 之间不断变化,当微弧氧化时间达到100s 后电流趋于稳定值0.05A 。

在加1g /L N a OH 的电解液中微弧氧化时,电压升到300V 时所需时间较长,微弧氧化时起始电流需要稳定的时间较长,当电压增加至最大时其电流下降也较快,电流密度的这种变化,促使了微弧氧化涂层的快速增长。

图2 微弧氧化时电压随时间的变化曲线 图3 微弧氧化时电流随时间的变化曲线2.3 氧化时间对氧化膜厚度的影响图4是电压为300V 时,T i6A l4V 钛合金在3种氧化液中氧化膜厚度随氧化时间的变化曲线。

从图4中可以看出,氧化膜的厚度随时间的延长而增大,在微弧氧化开始后的5~30m in 之间,膜的厚度迅速增加,超过30m i n 以后,膜厚增加缓慢。

氧化液中加入N a OH 可以增加溶液的导电性,随电解液Na OH 浓度的增大,使微弧氧化后获得的膜层增厚速度加快。

当Na OH 的浓度增加到5g /L 时,虽然膜层厚度增大显著,但导致放电瞬间能量过大,使微熔区小范围飞溅,同时,击穿放电过程微熔区发生击穿破坏,钛合金表面出现了明显的二次白色弧层,产生烧蚀现象。

图4 氧化膜厚度随氧化时间的变化曲线#3#第2期 武立志,解念锁 T i 6A l 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)第27卷3结论(1)随者微弧氧化电压的增大,T i6A l4V钛合金微弧氧化膜中的孔洞尺寸不断增大,孔洞的数量减少,氧化膜表面粗糙度程度增大。

(2)T i6A l4V钛合金微弧氧化初期电压随时间延长不断上升,至最大电压300V后保持稳定;Na OH 使微弧氧化产生火花放电时间增长,增长微弧氧化时起始电流的稳定时间。

(3)在实验条件下,T i6A l4V钛合金氧化膜的厚度随时间的延长而增大,增大N a OH浓度,氧化膜增厚越快;当Na OH浓度增加到5g/L时,钛合金微弧氧化膜表面产生烧蚀现象。

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