不同NaOH浓度对TC4钛合金微弧氧化的影响*
2016-11-16雷源源
陈 乾,雷源源
(贵州大学材料与冶金学院,贵州贵阳550003)
不同NaOH浓度对TC4钛合金微弧氧化的影响*
陈 乾,雷源源
(贵州大学材料与冶金学院,贵州贵阳550003)
在磷酸盐体系中采用不同浓度NaOH对TC4钛合金进行微弧氧化处理,在其表面制得陶瓷膜层,利用扫描电镜对膜层形貌结构进行分析,并在20%H2SO4溶液中作腐蚀实验。结果表明,陶瓷膜层与基体结合良好,表面呈微孔形貌,与基体相比,硬度及耐腐蚀性得到提高,NaOH浓度对陶瓷层的影响不是线性关系,浓度太高或太低都将影响微弧氧化的处理效果。通过实验比较得出NaOH浓度为1 g/L维护氧化处理后的效果较好,生成的陶瓷膜表面光滑平整,且处理后的试样硬度较好。
钛合金 微弧氧化 陶瓷膜层
0 引言
钛合金具有强度高、密度低、耐蚀性好的特点,广泛应用于航天、航空、化工及生物医疗领域[1],但是由于硬度较低限制了其应用。对钛合金进行表面处理,可以显著提高钛合金表面的硬度[2]。目前钛合金表面处理技术主要有阳极氧化、化学镀及电镀、微弧氧化、电脉沉积和纳米沉积[3]。其中,在普通阳极氧化基础上发展起来的微弧氧化技术,近20年来在国内外迅速发展,已经成为钛合金表面改性技术研究的热点[4]。本文采用磷酸盐体系下不同NaOH浓度对TC4钛合金进行微弧氧化,然后观察其表面形貌和确定生成相组成,探索微弧氧化陶瓷膜层的结构形貌以及对性能的影响。
1 实验材料与方法
实验材料为TC4钛合金,电解液采用磷酸盐体系,配方为:磷酸钠6 g/L , 硅酸钠4 g/L , 钨酸钠4 g/L , Na2EDTA 2g/L。电解液配方中的NaOH浓度不同,分别为第一组①不加NaOH、第二组②NaOH浓度0.5 g/L、第三组③NaOH浓度为1 g/L,第四组④NaOH浓度为1.5 g/L。实验参数为:电压400 V,占空比0.3% ,频率600 Hz。微弧氧化实验在自制的微弧氧化实验装置上进行,该装置主要由微弧氧化实验槽、电源、控制系统、搅拌器和冷却系统组成。在进行微弧氧化前,对钛合金表面进行预处理,表面用砂纸打磨,然后用抛光机进行机械抛光,为了除去试样表面的油类污染物,采用丙酮除油,最后去离子水清洗,吹干后放入电解槽中进行微弧氧化处理,本实验起弧时间15 min,反应时间40 min, 微弧氧化后取出,洗去残留在试样表面的电解液,吹干,放入样品袋中为后续测试使用。
2 实验结果及分析
2.1 表面形貌分析
洗净吹干后的试样表面经过ZHD-230A型电阻加热蒸发镀膜机表面喷金后,在KYKY-2800B扫描电镜下对微弧氧化膜层进行表面形貌特征的观察。试样微弧氧化后的扫描图如图1所示。其中(a)是第二组②试样,(b)是第三组③试样。从(a)中可以看出膜厚约10.1 μm,(b)是表层形貌。陶瓷层的表面是由一些微小的类似于“火山堆”形状的物质相结合而构成的,在每个小“火山堆”的中心都有一个小孔,这个孔就是溶液与基体的反应通道,也是电火花产生时,熔融态的氧化物喷发出来时经过的通道,由于我们在实验过程中加在试样两端的电压为400 V不是很高,所以在图中看到的小孔不是很大。在反应过程中电火花的作用下,氧化陶瓷层以小孔为中心,经过生成氧化物的不断熔化和迅速凝固并相互结合而增厚。
(a) (b)图1 陶瓷膜层的SEM照片
2.2 膜层性能分析
本实验使用的是HV-1000显微硬度计测试膜层的硬度,试验条件:F=0.98 N,T=10 s,分别对微弧氧化处理过的氧化膜层的硬度进行多次测量,每个试样测量5次,取其平均值。TC4反应前后的硬度值具体数据如表1所示。NaOH浓度对陶瓷层硬度的影响不是线性关系,与没有NaOH浓度的微弧氧化相比,在一定范围内NaOH浓度高的微弧氧化后硬度要大一些。这是因为氢氧化钠主要提供碱性环境调节PH值,同时提高电解液的电导率,但超过一定范围,氢氧化钠浓度过高会使溶液电导率过高,使微弧氧化过程电流增大,导致电压增加不上去从而制约反应的进行,使微弧氧化后硬度反而下降。
表1 试样反应前后硬度值
将第三组③NaOH浓度为1.0 g/L的试样与基体材料同时浸泡于20%H2SO4酸性溶液中,在水浴箱中30℃条件下浸泡4 h,洗净后吹干后,在光学显微镜下照片如图2所示。腐蚀后的光学显微镜照片均是在200×下得到。
(a)基体 (b)③试样图2 试样经腐蚀后光学显微镜照片
基体材料表面出现很多的腐蚀点,有明显的腐蚀坑,经微弧氧化处理后的试样表面腐蚀后比基体的腐蚀后的试样表面要平整光滑,陶瓷层表面有一些气孔被覆盖,有少量的腐蚀产物,但并没有发现明显的腐蚀点,微弧氧化陶瓷膜对基体起到了有效的保护作用,显示出陶瓷氧化层的良好的耐蚀性。本实验测量腐蚀实验前后试样的质量,每个试样测量5次,取其平均值,其结果如表2所示。
表2 腐蚀性试验质量损失对比表
根据腐蚀后试样质量的减小,用下式计算腐蚀速度:
3 结论
在磷酸盐体系下采用不同NaOH浓度对TC4钛合金进行微弧氧化处理,在其表面制得陶瓷膜层,膜层与基体结合良好,厚度达到10 μm。NaOH浓度对钛合金微弧氧化陶瓷膜的性能影响不是简单的线性关系,NaOH主要起提高电解液电导率的作用, NaOH浓度太高或太低都将影响微弧氧化效果,不能得到理想的陶瓷层。通过实验比较得出NaOH浓度为1 g/L维护氧化处理后的效果较好,生成的陶瓷膜表面光滑平整,且处理后的试样硬度较高。
[1] 李梁,孙健科,孟祥军.钛合金的应用现状及发展前景[J].钛工业发展,2004,21(5):19-24.
[2] 杨俊,兰林,欧阳贵. 钛及其合金表面处理技术发展现状[C].全国转化膜技术学术报告年会论文集,2010.
[3] 姜海涛,邵忠财,魏守强. 钛合金表面处理技术的研究进展[J].电镀与精饰,2010,35 (6):10-15.
[4] 钟涛生,蒋百灵,李均明.微弧氧化技术的特点、应用前景及其研究方向[J].电镀与涂饰,2005,24(6):47-50.
The influence of different NaOH concentration on the microarc oxidation of TC4 titanium alloy
CHEN Qian, LEI Yuanyuan
In this study, different concentration of NaOH was adopted for the microarc oxidation treatment of TC4 titanium alloy, and a ceramic coating was formed on its surface. Scanning electron microscopy (SEM) was used to analyze the structure of the coating, and corrosion experiments were carried out in 20% H2SO4solution. The results showed that, the ceramic coating and the alloy bonded well, the surface showed micropore structure, and the hardness and the corrosion resistance of the alloy were improved. The influence of NaOH concentration on the ceramic coating did not follow linear relation, too high or too low concentration would impair the effect of microarc oxidation. Experimental comparison showed that when NaOH concentration was 1 g/L, the effect of microarc oxidation was best, the ceramic coating was smooth, and the processed sample had satisfactory hardness.
titanium alloy,microarc oxidation,ceramic coating
TG178
A
1002-6886(2016)05-0086-03
贵阳市科技计划项目(筑科合同[2011205]5-9)。
陈乾(1992-),男,贵州省松桃县人,本科在读。
雷源源(1975-),女,硕士,副教授,主要从事教学和新材料的研究及应用。
2016-04-26