電參數(shù)對(duì)TC4鈦合金微弧氧化陶瓷膜的影響

禮潔冰，趙 暉，王曉輝，朱其柱

(沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110159)

鈦合金具有強(qiáng)度高、密度低、耐蝕及中溫性能穩(wěn)定等特性，廣泛應(yīng)用于航天、航空、化工及生物醫(yī)療領(lǐng)域。由于硬度低，抗磨減摩性能差，限制了其應(yīng)用，因此，利用表面改性技術(shù)改善鈦合金的摩擦學(xué)性能倍受關(guān)注［1］，對(duì)鈦及其合金材料的表面處理研究顯得十分重要。

微弧氧化(MAO)又稱微等離子體氧化或陽(yáng)極火花沉積，是近年興起的一種在Ti、A1、Mg等有色金屬表面原位生長(zhǎng)氧化物陶瓷膜層的表面處理新技術(shù)［2－5］，是國(guó)際研究的熱點(diǎn)。本文在恒壓模式下研究微弧氧化電參數(shù):電壓、脈寬、脈間對(duì)陶瓷膜表面形貌、厚度、粗糙度的影響。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為T(mén)C4合金，其成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金的成分 wt%

試樣規(guī)格為60mm×30mm×3mm標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方體塊，均經(jīng)240#～1200#水磨砂紙逐次打磨、拋光、自來(lái)水漂洗、丙酮擦洗處理。電解液的主要成分為碳酸鈉、硅酸鈉、甘油，以去離子水配制，處理過(guò)程中通過(guò)循環(huán)水冷卻。采用雙極脈沖微弧氧化裝置對(duì)試樣進(jìn)行表面陶瓷化處理，在微弧氧化階段采用恒壓模式進(jìn)行微弧氧化，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 微弧氧化工藝參數(shù)

微弧氧化處理后，從電解液中取出試樣，經(jīng)水洗、干燥后采用 S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察膜層的表面形貌。TT230數(shù)字覆蓋層測(cè)厚儀測(cè)量膜層厚度，利用北京市時(shí)代機(jī)電新技術(shù)公司生產(chǎn)的RM-20袖珍式表面粗糙度儀檢測(cè)膜層的粗糙度。

2 結(jié)果與討論

2.1 電參數(shù)對(duì)陶瓷膜表面形貌的影響

圖1a、1b是TC4合金在相同的脈寬脈間、不同的正向電壓參數(shù)作用下微弧氧化處理10min的表面形貌。由圖1a可看出，當(dāng)電壓較低時(shí)，膜層表面的顆粒較小，微孔的孔徑也較小且較均勻;由圖1b可看出，當(dāng)電壓較大時(shí)，膜層表面的顆粒變大，微孔的孔徑也增大。隨電壓的增大，微弧氧化表面微孔孔徑增大，微孔數(shù)量減少。在相同時(shí)間內(nèi)，電壓越大，微弧火花放電密度越小，放電程度越劇烈，放電能量越大，放電微孔的孔徑也變大。從而，在微弧氧化過(guò)程中，從微孔中向外噴射的熔融物會(huì)更多。由圖1b、1c可看出，在電參數(shù)脈寬和電壓恒定的條件下，隨著脈間的增大，陶瓷膜表面微孔數(shù)量減少，孔徑變化不大。脈間增大，作用在陶瓷膜上的平均脈沖時(shí)間縮短，導(dǎo)致?lián)舸┨沾赡さ目锥措S之減少。由于脈寬沒(méi)有變化，擊穿的能量也沒(méi)有變化，所以孔徑的大小變化不大。由圖1c、1d可看出，在電參數(shù)脈間和電壓恒定的條件下，隨著脈寬的增加，陶瓷膜表面微孔孔徑開(kāi)始減小，陶瓷膜致密性增強(qiáng)。脈寬影響單個(gè)脈沖的放電能量。脈寬越大，微弧火花放電程度越劇烈，在陶瓷膜上產(chǎn)生的能量也越大。在微弧氧化后期，陶瓷膜表面被大量熔融物質(zhì)覆蓋，微孔數(shù)量減少，火花放電的密度降低，擊穿孔洞的能量降低，陶瓷膜層微孔孔徑減小。

圖1 不同電參數(shù)下陶瓷膜的表面形貌

2.2 電參數(shù)對(duì)陶瓷膜厚度的影響

圖2是鈦合金在不同電參數(shù)下微弧氧化處理10min后氧化陶瓷膜厚度隨電參數(shù)的變化曲線。

圖2 不同電參數(shù)與陶瓷膜厚度的關(guān)系曲線

從圖2可看出，正向電壓的增大，相當(dāng)于作用在陶瓷膜上的能量增大，使微弧氧化反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力增大，陶瓷膜厚度增長(zhǎng);增加脈寬，即增大單個(gè)脈沖的放電能量，相當(dāng)于作用在陶瓷膜上的能量增大，噴出的熔融氧化物增多，陶瓷膜的厚度也迅速增長(zhǎng);增加脈間，作用在陶瓷膜上的脈沖時(shí)間會(huì)縮短，微弧氧化過(guò)程中參與反應(yīng)的物質(zhì)減少，陶瓷膜厚度減小。故降低正向電壓，降低脈寬，增加脈間有利于得到較薄的微弧氧化陶瓷膜。

2.3 電參數(shù)對(duì)陶瓷膜粗糙度的影響

圖3是鈦合金在不同電參數(shù)下微弧氧化處理10min后氧化陶瓷膜粗糙度隨電參數(shù)的變化曲線。

圖3 不同電參數(shù)與陶瓷膜粗糙度的關(guān)系曲線

從圖3可看出，提高正向電壓，放電能量增大，膜層變厚，同時(shí)粗糙度也變大;增加脈寬，增大單個(gè)脈沖的放電能量使作用在陶瓷膜上的能量增大，噴出的熔融氧化物增多，因而陶瓷膜的粗糙度也增大;增加脈間，作用在陶瓷膜上脈沖時(shí)間減少，形成的孔洞較少，進(jìn)入孔洞參加反應(yīng)的電解質(zhì)也隨之減少，因而膜層較為致密，粗糙度值下降。故降低正向電壓、降低脈寬、增加脈間有利于陶瓷膜粗糙度的減小。

3 結(jié)論

1)電壓恒定時(shí)，隨著脈寬、脈間的增大，陶瓷膜表面微孔數(shù)目減少，致密性增強(qiáng);

2)降低正向電壓，降低脈寬，增加脈間有利于得到較薄的鈦合金微弧氧化陶瓷膜;

3)降低正向電壓，降低脈寬，增加脈間有利于鈦合金微弧氧化陶瓷膜的粗糙度減小。

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