TB3合金微弧氧化性能研究
目 录
1 绪论 1
1.1 钛合金概述 1
1.2 钛合金微弧氧化技术 1
1.3 摩擦性能研究 3
1.4钛合金微弧氧化质量的影响因素 4
1.5微弧氧化研究中存在的问题和研究的方向 4
1.6 本课题的研究意义和研究内容 4
2 实验方法 5
2.1 实验材料及试剂 5
2.2 实验设备 6
2.3微弧氧化膜层的制备 7
2.4.微弧氧化膜层表征及膜层性能测试 7
3.实验结果和分析 9
3.1工艺参数对微弧氧化性能的影响 9
3.2 膜层组织结构观察 15
3.3 氧化膜层的摩擦磨损性能 18
3.4.接触角 22
3.5腐蚀性能 23
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
1 绪论
1.1 钛合金概述
1.1.1 钛及钛合金的性能
纯钛密度为4.507 g/cm3，密度比铝高但又比铁、铜、镍低，但是钛的比强度是金属中最高的，钛的熔点为1688℃。固态钛随着温度的改变，其原子排列的晶体结构也会相应发生变化（组织转变），因此钛具有两种同素异晶体，其转变温度为882.5℃，当温度在882.5 ℃以下时是密排六方结构的α相，当温度在882.5 ℃以上是体心立方结构的β相[1]。
钛合金是以钛作为基体同时加入其他的合金元素所组成的，常加入的元素有Al、Cr、Mn、Sn、Mo、V等元素。钛合金具有许多优点，例如：抗腐蚀的能力强、钛合金的密度低、比强度高、工艺性能较好，钛合金是综合性能较为理想的结构材料 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
之一。
1.1.2钛及钛合金的应用现状
钛合金是当代发展起来的一种非常重要的金属结构材料，因为钛具有高强、耐热、耐蚀、质轻、无磁等特点，并且具有超导、储氢、生物相容性、形状记忆四大功能，因此被广泛地用于舰船、轻工、化工、海水淡化、医疗器械、航天航空、环境保护等相关领域，并能够给整个社会带来了巨大的社会和经济效益，在目前及未来的国民经济的进一步发展和国防中具有非常重要的作用和地位[2]。
根据钛中β的稳定元素加入的含量以及退火处理后的组织变化情况，将钛合金分为α、β、α+β、近α和近β钛合金。近年来开发出的新型钛合金主要有4类：高强高韧β型钛合金、高温钛合金、钛铝基合金及其复合材料和阻燃钛合金。但应用最广泛的是多用途的α+β型Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo高温钛合金[3]。
1.2 钛合金微弧氧化技术
1.2.1 表面处理技术的概述
由于钛及钛合金具有优良的耐蚀性能、较高的比强度、良好的生物相容性、无磁性等特点，被广泛应用于石油化工、生物工程、航空航天和原子能工业等相关领域。钛合金的硬度较低，摩擦系数大，耐磨性能较差。此外，钛合金还容易与其接触的其他金属发生电偶腐蚀反应，在酸性环境中耐腐蚀性能较差，并且钛合金存在对氢脆及液态金属致脆敏感等问题[3]。近年来，由于专家学者采用了表面处理技术，使钛合金具有了新的性能。对钛合金的表面进行处理，可以显著提高钛合金的耐蚀性能、耐磨性能及高温抗氧化性能等。
目前，钛合金的表面强化技术有化学镀、电镀、热喷涂、微弧氧化等。本次研究中，综合考虑了各个方面的因素，选用了微弧氧化技术。
1.2.2微弧氧化处理技术
微弧氧化是一种比较新颖的电化学工艺，是一种从阳极氧化发展而来的新技术。此技术采用比较高的电压，将普通的阳极氧化的法拉第工作区引入到高压的放电区[4]。通过微弧氧化技术处理所得到的氧化膜具有硬度高、膜层厚且与基体结合良好等优异特征，因而此技术在众多的领域具有良好的发展前景。
微弧氧化又被称为微弧等离子体氧化。微弧氧化是将金属或其合金置于某种特殊的电解液中，在合金的表面产生瞬时的高温高压，使材料表面产生微小火花放电斑点，在热化学、电化学和等离子体化学的共同作用下，在这些材料的表面原位生长形成氧化膜的新技术。
1.2.3微弧氧化的基本机理
将Ti、A1、Mg等金属试样放入到电解液中，通电后在金属表面首先会生成一层绝缘的二氧化钛膜层，当施加的电压超过某一个临界值时，绝缘膜的薄弱部分就会被击穿，并且发生微弧放电现象。微弧氧化电击穿过程涉及很多物理（如结晶、高温相变、熔融、电泳等）、化学（如等离子体化学、高温化学等）、电化学过程[5]。
微弧氧化的过程可以大致分为四个阶段。第一阶段为阳极氧化阶段，在这个阶段金属表面的光泽会逐渐消失，并且材料的表面会有气泡产生，在材料表面生成一层极薄且多空的绝缘膜，绝缘膜的生成是形成微弧氧化的必要条件。微弧氧化的第二阶段为火花的放电阶段，此时电压会不断的升高，当升高到一定的值时氧化膜层就会被击穿，并在钛合金的表面开始出现移动着的明亮小火花，并且相当密集，第二阶段的时间非常短[6]。第三阶段为微弧放电的阶段，在这一阶段随着膜层和电压的不断增加，表面的火花会逐渐的变大，移动的速度也会 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
变得相对地减缓，此时膜层能够迅速地生长 [7]。第四阶段为弧放电阶段，在这一阶段随着氧化时间的延长，表面的氧化膜会达到一定的厚度从而使膜层更难被击穿，此时开始出现少数更大的红色斑点，斑点将会停留在某个固定的位置连续地放电，此时并会伴有尖锐的爆鸣声，因为这个阶段对氧化膜层的破坏较大，会使膜层出现较大的孔隙或出现其他瑕疵，所以应该尽量避免[8]。
火花开始放电之前，钛合金表面的氧化膜的成分主要是二氧化钛，从火花放电阶段开始，电解液中的元素便会开始进入到膜层中，并且同基体中的元素发生各种反应从而生成新的产物，通过这种方式，从而使膜层的性能得到一定的改善。在微弧放电的阶段，氧化膜层的相对薄弱的部位最容易被击穿，当被击穿后，又会在该部位形成新的氧化膜层，于是击穿点又会转移到下一个相对薄弱的部位，因此，最后所得到的氧化膜层是较均匀的。
1.2.4微弧氧化技术的一般特点
微弧氧化技术是采用高压电源、大电流，在无污染的电解液中以微弧放电的形式，在钛合金表面生成氧化物陶瓷膜层[9]。因此，与其他种类的表面处理技术相比较，该技术具有以下的特点：
（1）孔隙率较低，氧化膜层具有很高的耐腐蚀的性能；（2）膜层从基体上直接生长得到，能够与基体保持紧密的结合能力，因此膜层不容易脱落；（3）通过改变工艺条件的选用或者改变电解液的成分，可以调整或改变膜层的微观结构、特征；（4）能够在试样内外表面生成相对较均匀的氧化膜层，因此使微弧氧化技术的使用范围变大；（5）膜层的厚度容易控制，从来使微弧氧化的可操控性提高；（6）微弧氧化效率高；（7）微弧氧化技术操作简单，不需要低温或真空的条件，实验较安全，此技术的工序较少，性价比高，能够实验自动化生产；（8）可以在形状复杂的部件或是空心部件上形成均匀的氧化膜层；（9）对于材料的适用范围广[10]。
1.3 摩擦性能研究
摩擦是两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动（或具有相对运动的趋势）时，在其界面上会产生切向阻力(摩擦力)，抵抗种力现象称为摩擦[11]。摩擦过程中伴随着材料的损耗情况，可以表现出材料性能的特点。磨损的情况与施加载荷的大小和材料种类、运动往复的频率等有很大的关系。
1 绪论 1
1.1 钛合金概述 1
1.2 钛合金微弧氧化技术 1
1.3 摩擦性能研究 3
1.4钛合金微弧氧化质量的影响因素 4
1.5微弧氧化研究中存在的问题和研究的方向 4
1.6 本课题的研究意义和研究内容 4
2 实验方法 5
2.1 实验材料及试剂 5
2.2 实验设备 6
2.3微弧氧化膜层的制备 7
2.4.微弧氧化膜层表征及膜层性能测试 7
3.实验结果和分析 9
3.1工艺参数对微弧氧化性能的影响 9
3.2 膜层组织结构观察 15
3.3 氧化膜层的摩擦磨损性能 18
3.4.接触角 22
3.5腐蚀性能 23
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
1 绪论
1.1 钛合金概述
1.1.1 钛及钛合金的性能
纯钛密度为4.507 g/cm3，密度比铝高但又比铁、铜、镍低，但是钛的比强度是金属中最高的，钛的熔点为1688℃。固态钛随着温度的改变，其原子排列的晶体结构也会相应发生变化（组织转变），因此钛具有两种同素异晶体，其转变温度为882.5℃，当温度在882.5 ℃以下时是密排六方结构的α相，当温度在882.5 ℃以上是体心立方结构的β相[1]。
钛合金是以钛作为基体同时加入其他的合金元素所组成的，常加入的元素有Al、Cr、Mn、Sn、Mo、V等元素。钛合金具有许多优点，例如：抗腐蚀的能力强、钛合金的密度低、比强度高、工艺性能较好，钛合金是综合性能较为理想的结构材料 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
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1.1.2钛及钛合金的应用现状
钛合金是当代发展起来的一种非常重要的金属结构材料，因为钛具有高强、耐热、耐蚀、质轻、无磁等特点，并且具有超导、储氢、生物相容性、形状记忆四大功能，因此被广泛地用于舰船、轻工、化工、海水淡化、医疗器械、航天航空、环境保护等相关领域，并能够给整个社会带来了巨大的社会和经济效益，在目前及未来的国民经济的进一步发展和国防中具有非常重要的作用和地位[2]。
根据钛中β的稳定元素加入的含量以及退火处理后的组织变化情况，将钛合金分为α、β、α+β、近α和近β钛合金。近年来开发出的新型钛合金主要有4类：高强高韧β型钛合金、高温钛合金、钛铝基合金及其复合材料和阻燃钛合金。但应用最广泛的是多用途的α+β型Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo高温钛合金[3]。
1.2 钛合金微弧氧化技术
1.2.1 表面处理技术的概述
由于钛及钛合金具有优良的耐蚀性能、较高的比强度、良好的生物相容性、无磁性等特点，被广泛应用于石油化工、生物工程、航空航天和原子能工业等相关领域。钛合金的硬度较低，摩擦系数大，耐磨性能较差。此外，钛合金还容易与其接触的其他金属发生电偶腐蚀反应，在酸性环境中耐腐蚀性能较差，并且钛合金存在对氢脆及液态金属致脆敏感等问题[3]。近年来，由于专家学者采用了表面处理技术，使钛合金具有了新的性能。对钛合金的表面进行处理，可以显著提高钛合金的耐蚀性能、耐磨性能及高温抗氧化性能等。
目前，钛合金的表面强化技术有化学镀、电镀、热喷涂、微弧氧化等。本次研究中，综合考虑了各个方面的因素，选用了微弧氧化技术。
1.2.2微弧氧化处理技术
微弧氧化是一种比较新颖的电化学工艺，是一种从阳极氧化发展而来的新技术。此技术采用比较高的电压，将普通的阳极氧化的法拉第工作区引入到高压的放电区[4]。通过微弧氧化技术处理所得到的氧化膜具有硬度高、膜层厚且与基体结合良好等优异特征，因而此技术在众多的领域具有良好的发展前景。
微弧氧化又被称为微弧等离子体氧化。微弧氧化是将金属或其合金置于某种特殊的电解液中，在合金的表面产生瞬时的高温高压，使材料表面产生微小火花放电斑点，在热化学、电化学和等离子体化学的共同作用下，在这些材料的表面原位生长形成氧化膜的新技术。
1.2.3微弧氧化的基本机理
将Ti、A1、Mg等金属试样放入到电解液中，通电后在金属表面首先会生成一层绝缘的二氧化钛膜层，当施加的电压超过某一个临界值时，绝缘膜的薄弱部分就会被击穿，并且发生微弧放电现象。微弧氧化电击穿过程涉及很多物理（如结晶、高温相变、熔融、电泳等）、化学（如等离子体化学、高温化学等）、电化学过程[5]。
微弧氧化的过程可以大致分为四个阶段。第一阶段为阳极氧化阶段，在这个阶段金属表面的光泽会逐渐消失，并且材料的表面会有气泡产生，在材料表面生成一层极薄且多空的绝缘膜，绝缘膜的生成是形成微弧氧化的必要条件。微弧氧化的第二阶段为火花的放电阶段，此时电压会不断的升高，当升高到一定的值时氧化膜层就会被击穿，并在钛合金的表面开始出现移动着的明亮小火花，并且相当密集，第二阶段的时间非常短[6]。第三阶段为微弧放电的阶段，在这一阶段随着膜层和电压的不断增加，表面的火花会逐渐的变大，移动的速度也会 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
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火花开始放电之前，钛合金表面的氧化膜的成分主要是二氧化钛，从火花放电阶段开始，电解液中的元素便会开始进入到膜层中，并且同基体中的元素发生各种反应从而生成新的产物，通过这种方式，从而使膜层的性能得到一定的改善。在微弧放电的阶段，氧化膜层的相对薄弱的部位最容易被击穿，当被击穿后，又会在该部位形成新的氧化膜层，于是击穿点又会转移到下一个相对薄弱的部位，因此，最后所得到的氧化膜层是较均匀的。
1.2.4微弧氧化技术的一般特点
微弧氧化技术是采用高压电源、大电流，在无污染的电解液中以微弧放电的形式，在钛合金表面生成氧化物陶瓷膜层[9]。因此，与其他种类的表面处理技术相比较，该技术具有以下的特点：
（1）孔隙率较低，氧化膜层具有很高的耐腐蚀的性能；（2）膜层从基体上直接生长得到，能够与基体保持紧密的结合能力，因此膜层不容易脱落；（3）通过改变工艺条件的选用或者改变电解液的成分，可以调整或改变膜层的微观结构、特征；（4）能够在试样内外表面生成相对较均匀的氧化膜层，因此使微弧氧化技术的使用范围变大；（5）膜层的厚度容易控制，从来使微弧氧化的可操控性提高；（6）微弧氧化效率高；（7）微弧氧化技术操作简单，不需要低温或真空的条件，实验较安全，此技术的工序较少，性价比高，能够实验自动化生产；（8）可以在形状复杂的部件或是空心部件上形成均匀的氧化膜层；（9）对于材料的适用范围广[10]。
1.3 摩擦性能研究
摩擦是两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动（或具有相对运动的趋势）时，在其界面上会产生切向阻力(摩擦力)，抵抗种力现象称为摩擦[11]。摩擦过程中伴随着材料的损耗情况，可以表现出材料性能的特点。磨损的情况与施加载荷的大小和材料种类、运动往复的频率等有很大的关系。
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