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1、TC4合金表面微弧氧化膜层耐蚀及摩擦性能研究第37卷增刊42008年lO月稀有金属材料与工程RAREMETAL～L:rERIALSANDENGINEERINGVo1.37,Supp1.4October2008TC4合金表面微弧氧化膜层耐蚀及摩擦性能研究高广睿,李争显,杜继红(西北有色金属研究院,陕西西安710016)摘要:利用微弧氧化技术,硅酸钠,磷酸钠溶液体系,在TC4合金表面制备出硬度高,耐磨性好的陶瓷膜层.采用SEM,XRD分析了膜层的形貌特征和成分及相结构.在H2SO4及HC1溶液中的腐蚀研究表明,涂层腐蚀速率是
2、基体的1/9;在3.5%NaCI溶液中进行极化曲线及交流阻抗测试,表明陶瓷膜层自腐蚀电位由基体的一O.29v提高到0.45V,腐蚀电流提高1个数量级,耐蚀性提高1个数量级;耐磨试验研究表明,膜层的摩擦系数为O.39,大于基体的0.28;摩擦40min情况下,膜层耐磨性能很好.关键词:钛合金;微弧氧化;摩擦系数;磨损中图法分类号:TG146.4文献标识码:A文章编号:1002一l85X(2008)$4.602.04钛及钛合金具有高比强度,优良的耐蚀性,疲劳性能和生物相容性被广泛用于航空宇航,石油化工,海洋,医药等领域.但是
3、钛合金硬度低,耐粘着磨损性能差,在磨损过程中易发生粘着,咬合.微弧氧化(MicroArcOxidation简称MAO)又称微等离子氧化(MicroPlasmaOxidation简称MPO),阳极火花沉积(AnodicSparkDeposition简称ASD)[1'2】,是最近几十年发展起来的在Ti,AI,Mg,Zr等有色金属表面原位生长氧化物陶瓷膜的新技术.它是在普通阳极氧化基础上,进一步提高电压,使电压超出法拉第区,达到了氧化膜的击穿电压,这时在阳极上可以观察到弧光放电现象,大量火花在阳极表面游动.弧光放电产生的瞬时高
4、温高压作用,引起各种热化学反应,在阳极表面生长一层厚的陶瓷氧化膜.微弧氧化过程中,化学氧化,电化学氧化,等离子体微弧氧化同时存在,陶瓷氧化膜的形成过程非常复杂,由于氧化时巨大的热能,界面化学,电化学反应的相互作用下,电解质中的某些组分会从溶液中析出,和基体金属一起被烧结氧化形成一层致密的陶瓷膜层.致密的陶瓷膜的存在使基体获得优良的耐蚀及耐磨性能.国内外针对铝,镁合金微弧氧化陶瓷涂层的研究较多[】,对钛合金微弧氧化陶瓷涂层的研究较少.本实验对钛合金微弧氧化膜的形貌,成分组成,耐蚀性能及摩擦磨损性能方面进行了研究.1实验实验
5、材料选用TC4钛合金.膜层的制备采用MAO60H型交流微弧氧化设备,阴极为不锈钢板,电解液为硅酸钠,磷酸钠溶液;氧化最高正电压为460V,氧化时间为30min.处理前试样用800#砂纸打磨,然后在乙醇,去离子水超声清洗;微弧氧化后的试样用清水冲洗干净.均匀腐蚀试验,采用20%的H2SO4,HC1溶液,温度为室温.摩擦系数在球盘磨损试验机上进行,对磨副为直径4mm的ZrO2球,载荷为5,磨损直径10mm,磨损时间为40min.采用JSM6460型扫描电镜对膜层形貌和摩擦磨损形貌进行观察.采用梅特勒一托利多仪器(上海)有限公
6、司生产的精度0.1mg的AE240型电子分析天平测量腐蚀失重.极化曲线测量采用EG&G公司生产的电化学工作站,交流阻抗测试采用Princeton公司的Parstat2273电化学测试仪,试样暴露面积为1cm,试验采用三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极用Pt片,溶液均采用3.5%NaC1溶液,温度为30℃.2结果及分析2.1膜层形貌图1为微弧氧化膜层的SEM表面和截面形貌.由图可见膜层表面粗糙不平,存在大量微弧放电残留气孔,气孔呈火山口形状,这些孔相互不连通,孔深沿截面方向非常浅,但孔径比较均匀,小于2-
7、3Ixm.从截面形貌上可以看出,虽然膜层表面疏松多孔,但这收稿日期:2008.01.15作者简介:高广睿,男,1978年生,硕士,工程师,西北有色金属研究院腐蚀与防护研究所,陕西西安710016,电话:029—86231077增刊4高广睿等:TC4合金表面微弧氧化膜层耐蚀及摩擦性能研究'603.些孔洞并没有贯通整个疏松层,多孔的疏松层与基体之间具有致密的过渡层,厚度1～2m,致密的陶瓷涂层有利于提高基体的耐磨,耐蚀性能.图1微弧氧化膜层形貌Fig.1Surface(a)andcross—sectional(b)morph
8、ologyofMAOcoating2.2膜层的相组成及成分分析膜层的XRD分析结果(图2)表明,膜层主要由TiO2(金红石相及锐钛矿相)组成,并有明显的非晶相存在,可能是siO2及磷化物.非晶相是电解液的瞬间急冷作用使其来不及结晶而保留下来,非晶相的存在有利于提高膜层的韧性及耐蚀性能.微弧氧化膜的EDS分析结果如表l
