氮掺杂钛合金表面微弧氧化性能及机制分析

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1、氮掺杂钛合金表面微弧氧化性能及机制分析PerformanceandMechanismAnalysisofSurfaceMicroArcOxidationofNitrogen·DopedTitaniumAlloy首都航天机械公司周世杰万李【摘要】通过离子柬辅助沉积在钛合金表面制备TiN膜层，以Na3P04为电解液，在不同浓度条件下，采用微弧氧化法对钛合金表面进行氧化，以提高钛合金表面的硬度。x射线和元素成分分析表明当Na，PO。浓度增加至0．03mol／L时，钛合金表面所形成薄膜晶相为含氮元素的锐钛矿和金红石混合晶相。和已

2、有的报道相比，有着较好的硬度。关键词：钛合金微弧氧化氦掺杂硬度IABSTRACTlTiNfilmisdepositedonthesurfaceoftitaniumalloybyIBAD．MicroarcoxidationisusedtoimprovetherigidityofthesurfaceoftitaniumalloyinthedifferentconcentrationofNa3P04．X—rayandelementanalysisindicatesthatthesurfacestructureoftitaniu

3、mal-loyisamixtureonecontentsanataseandrutilewhentheconcentrationofNa3P04increasesto0．03mol／L，whichisbetterinrigiditycomparedwiththereportedresearch．Keywords：TitaniumalloyMicroarcoxidationNitrogen-dopedRigidity钛合金具有比强度高、温度范围宽、腐蚀抗力优异的性能，不仅在航空发动机上大量取代了铝合金和钢构件，而且在先进飞

4、机上也得到了很多应用。然而，因钛合金的硬度较低、耐磨性差，与其他材料接触可能导致电耦腐蚀，零件间容易粘滞，使得其应用范围受到限制⋯。特别是随着摩擦力的增加，钛合金和接触的材料或环境之问会发生相互作用，使得钛合金产生电腐蚀和裂缝腐蚀(也称腐蚀变脆)等。因此，对钛金属及其合金材料的表面处理就显得越来越重要。钛合金微弧氧化工艺在国外已有几十年的应用历史，在航空航天、舰艇等国防尖端领域发挥着重要的作用，并得到积极研究忙】。钛合金微弧阳极氧化膜具有硬度高、绝缘性好、膜层稳定无粉化，可提高钛合金零件的耐磨性、防止电偶腐蚀、防粘，不降

5、低基体强度、塑性和疲劳极限等许多优点口J。而利用微弧氧化在所生成的表92航空制造技术·2010年第2期面薄膜中进行非金属掺杂，从而达到改善表面硬度的研究鲜有报道。本课题以Na，PO。为电解液，采用微弧氧化法，在钛合金表面形成非金属氮掺杂的氧化物薄膜，以提高钛合金的耐磨损性能。1试验部分1．1样品制备将准备好的Ti(Ti一6A1—4V)片(30mm×20mm)放入CH，CI中清洗，约10min后取出，放人HCI和HF混合溶液中酸蚀30s，然后在去离子水和丙酮中进行漂洗。将清洗后的Ti片放入离子束辅助沉积(IBAD)镀膜室，

6、真空室本底真空为4．0X10。4Pa。沉积前，用2．75keV的Ar+和500eV的N：+对Ti片分别进行溅射清洗，时间各为30min和15min为宜，以防止表面污染而影响薄膜质量。控制N：流量，使其在通人N：进行沉积时真空室压强保持在6×10。3Pa左右，沉积时间约lh。以金属Ti基底上沉积的TiN薄膜作为阳极，金属Pt片作为对电极，氧化电压300V。以Na，PO。为电解液，氧化时间2。5rain。微弧氧化试验装置在前述工作中已有描述H。1．2分析与表征样品的XRD物相结构采用日本D／MAX—RB型X光衍射仪进行分析，

7、其辐射源为Cu—KOt，X光管电压为45kV，电流150mA，狭缝DS=I．0mm，SS=0．3mm，连续扫描，CPS方式计数，扫描速度为60／rain，测量范围20=20。一80。。用扫描JSM一6460LV电子显微镜观察表面形貌。元素成分的测定由紫外荧光光度计(XRF)测量。由于膜层较薄，用纳米压入仪测量膜层的硬度。2结果与讨论2．1XRD分析根据已完成的试验州，采用Na，P0。电解液可在金属Ti片上微弧氧化形成TiO：防护层。在表面沉积一薄层TiN薄膜的钛合金，微弧氧化电解液依旧选择Na，PO,RESEARCH学术

8、论文作为电解液，从低浓度的Na，P04电解液开始，逐渐加大电解液浓度，同时调整氧化时间。图l为Na，PO。电解液的浓度为1×10～mol／L，氧化时间分别为2min(生成样品2—2)与5min(生成样品2—3)的XRD比较图。趔瓣帕出、瑙骥，，Ti02镧N‘，《’(111)t薹●o-————(101)I．鬈V2030