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1、TC4合金表面微弧氧化膜層耐蝕及摩擦性能研究第37卷增刊42008年lO月稀有金屬材料與工程RAREMETAL～L:rERIALSANDENGINEERINGVo1.37,Supp1.4October2008TC4合金表面微弧氧化膜層耐蝕及摩擦性能研究高廣睿,李爭(zhēng)顯,杜繼紅(西北有色金屬研究院,陜西西安710016)摘要:利用微弧氧化技術(shù),硅酸鈉,磷酸鈉溶液體系,在TC4合金表面制備出硬度高,耐磨性好的陶瓷膜層.采用SEM,XRD分析了膜層的形貌特征和成分及相結(jié)構(gòu).在H2SO4及HC1溶液中的腐蝕研究表明,涂層腐蝕速率是
2、基體的1/9;在3.5%NaCI溶液中進(jìn)行極化曲線及交流阻抗測(cè)試,表明陶瓷膜層自腐蝕電位由基體的一O.29v提高到0.45V,腐蝕電流提高1個(gè)數(shù)量級(jí),耐蝕性提高1個(gè)數(shù)量級(jí);耐磨試驗(yàn)研究表明,膜層的摩擦系數(shù)為O.39,大于基體的0.28;摩擦40min情況下,膜層耐磨性能很好.關(guān)鍵詞:鈦合金;微弧氧化;摩擦系數(shù);磨損中圖法分類號(hào):TG146.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002一l85X(2008)$4.602.04鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度,優(yōu)良的耐蝕性,疲勞性能和生物相容性被廣泛用于航空宇航,石油化工,海洋,醫(yī)藥等領(lǐng)域.但是
3、鈦合金硬度低,耐粘著磨損性能差,在磨損過(guò)程中易發(fā)生粘著,咬合.微弧氧化(MicroArcOxidation簡(jiǎn)稱MAO)又稱微等離子氧化(MicroPlasmaOxidation簡(jiǎn)稱MPO),陽(yáng)極火花沉積(AnodicSparkDeposition簡(jiǎn)稱ASD)[1'2】,是最近幾十年發(fā)展起來(lái)的在Ti,AI,Mg,Zr等有色金屬表面原位生長(zhǎng)氧化物陶瓷膜的新技術(shù).它是在普通陽(yáng)極氧化基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高電壓,使電壓超出法拉第區(qū),達(dá)到了氧化膜的擊穿電壓,這時(shí)在陽(yáng)極上可以觀察到弧光放電現(xiàn)象,大量火花在陽(yáng)極表面游動(dòng).弧光放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高
4、溫高壓作用,引起各種熱化學(xué)反應(yīng),在陽(yáng)極表面生長(zhǎng)一層厚的陶瓷氧化膜.微弧氧化過(guò)程中,化學(xué)氧化,電化學(xué)氧化,等離子體微弧氧化同時(shí)存在,陶瓷氧化膜的形成過(guò)程非常復(fù)雜,由于氧化時(shí)巨大的熱能,界面化學(xué),電化學(xué)反應(yīng)的相互作用下,電解質(zhì)中的某些組分會(huì)從溶液中析出,和基體金屬一起被燒結(jié)氧化形成一層致密的陶瓷膜層.致密的陶瓷膜的存在使基體獲得優(yōu)良的耐蝕及耐磨性能.國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋁,鎂合金微弧氧化陶瓷涂層的研究較多[】,對(duì)鈦合金微弧氧化陶瓷涂層的研究較少.本實(shí)驗(yàn)對(duì)鈦合金微弧氧化膜的形貌,成分組成,耐蝕性能及摩擦磨損性能方面進(jìn)行了研究.1實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)
5、材料選用TC4鈦合金.膜層的制備采用MAO60H型交流微弧氧化設(shè)備,陰極為不銹鋼板,電解液為硅酸鈉,磷酸鈉溶液;氧化最高正電壓為460V,氧化時(shí)間為30min.處理前試樣用800#砂紙打磨,然后在乙醇,去離子水超聲清洗;微弧氧化后的試樣用清水沖洗干凈.均勻腐蝕試驗(yàn),采用20%的H2SO4,HC1溶液,溫度為室溫.摩擦系數(shù)在球盤磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,對(duì)磨副為直徑4mm的ZrO2球,載荷為5,磨損直徑10mm,磨損時(shí)間為40min.采用JSM6460型掃描電鏡對(duì)膜層形貌和摩擦磨損形貌進(jìn)行觀察.采用梅特勒一托利多儀器(上海)有限公
6、司生產(chǎn)的精度0.1mg的AE240型電子分析天平測(cè)量腐蝕失重.極化曲線測(cè)量采用EG&G公司生產(chǎn)的電化學(xué)工作站,交流阻抗測(cè)試采用Princeton公司的Parstat2273電化學(xué)測(cè)試儀,試樣暴露面積為1cm,試驗(yàn)采用三電極體系,參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極用Pt片,溶液均采用3.5%NaC1溶液,溫度為30℃.2結(jié)果及分析2.1膜層形貌圖1為微弧氧化膜層的SEM表面和截面形貌.由圖可見(jiàn)膜層表面粗糙不平,存在大量微弧放電殘留氣孔,氣孔呈火山口形狀,這些孔相互不連通,孔深沿截面方向非常淺,但孔徑比較均勻,小于2-
7、3Ixm.從截面形貌上可以看出,雖然膜層表面疏松多孔,但這收稿日期:2008.01.15作者簡(jiǎn)介:高廣睿,男,1978年生,碩士,工程師,西北有色金屬研究院腐蝕與防護(hù)研究所,陜西西安710016,電話:029—86231077增刊4高廣睿等:TC4合金表面微弧氧化膜層耐蝕及摩擦性能研究'603.些孔洞并沒(méi)有貫通整個(gè)疏松層,多孔的疏松層與基體之間具有致密的過(guò)渡層,厚度1～2m,致密的陶瓷涂層有利于提高基體的耐磨,耐蝕性能.圖1微弧氧化膜層形貌Fig.1Surface(a)andcross—sectional(b)morph
8、ologyofMAOcoating2.2膜層的相組成及成分分析膜層的XRD分析結(jié)果(圖2)表明,膜層主要由TiO2(金紅石相及銳鈦礦相)組成,并有明顯的非晶相存在,可能是siO2及磷化物.非晶相是電解液的瞬間急冷作用使其來(lái)不及結(jié)晶而保留下來(lái),非晶相的存在有利于提高膜層的韌性及耐蝕性能.微弧氧化膜的EDS分析結(jié)果如表l
