熱校平對鈦基材在草酸中的腐蝕速度影響

吳 允 苗

（泉州師范學院 化學與生命科學學院， 福建 泉州 362000）

科研與開發(fā)

熱校平對鈦基材在草酸中的腐蝕速度影響

吳 允 苗

（泉州師范學院 化學與生命科學學院， 福建 泉州 362000）

研究了熱校平工藝對鈦基材在草酸溶液中的腐蝕速度的影響。結果表明，未熱校平的鈦基材在草酸中以0.474 g/（m2·min）的恒定腐蝕速度溶解，而經熱校平處理的鈦基材的腐蝕過程分則為三個階段：第一階段為氧化膜破損過程，速度最慢；第二階段為微電池反應過程，腐蝕速度最大；第三階段為基體鈦的勻速腐蝕過程，腐蝕速度與未熱校平基材腐蝕速度一致。建立了鈦基材質量損失－酸蝕時間的函數(shù)方程式，可作為制定鈦基材酸蝕工藝參數(shù)的計算工具。

熱校平；鈦基體；酸洗工藝；腐蝕速度

鈦基貴金屬氧化物涂層電極由于具有電催化活性高，服役壽命長和尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點，在電化學工業(yè)中有著廣泛的應用[1-4]。貴金屬氧化物涂層多采涂覆-熱分解法被覆于基材表面[5]。因為工業(yè)純鈦的塑韌性好、耐腐蝕且易于成型等特點[6]，被采用作電極的基材。

涂層與基材的結合力是影響陽極性能的一個很重要的因素，因此在制備氧化物前，需要對鈦基材進嚴格的預處理[7]。鈦基材的預處理通常包括除油、噴砂、熱校平以及酸洗等工序[8]。噴砂會造成基材尤其是板狀基材的變形，需進行高溫熱校平處理。在高溫熱校平過程，鈦基材表面會生成一層致密的氧化膜，氧化膜必然對后續(xù)的酸蝕過程造成重要的影響。目前，熱校平工藝對鈦基材在草酸中的腐蝕行為的研究鮮有報道。鑒于此，本文對新鮮鈦基材和經不同溫度熱校平處理的鈦基材在草酸中的腐蝕行為進行分析對比,建立了鈦基材質量損失率與刻蝕時間的函數(shù)關系式,以此為鈦陽極生產中酸洗工藝的制定提供參考。

1 實驗部分

本文選用表面平整的 TA2鈦基材作為研究對象。將鈦材切成4 cm×5 cm的樣片，做好標識。將樣片放入箱式爐中，分別在450、500和600 ℃退火1 h，進行模擬熱校平處理。出爐冷卻后放入10% (wt)草酸溶液（溫度 90~95 ℃）進行不同時間的酸刻蝕處理，記錄酸蝕前后的形貌及質量變化。

2 結果及討論

2.1 形貌變化分析

圖1為樣片在酸洗前后表面形貌圖。圖1中第一列可為酸蝕前的樣片形貌，經不同溫度熱校平的樣片表面生成了不同顏色的氧化膜，而不同的顏色說明氧化膜的厚度不同。因為氧化膜的光通量和對光的折射率、反射率隨厚度的改變而不同，因而產生不同的光的干涉效應所呈現(xiàn)出不同的顏色[9]。隨著酸蝕時間的延長，各樣片表面氧化膜的顏色逐漸發(fā)生變化，說明氧化膜逐漸被溶解而變薄。經過45 min的酸蝕后，經450 ℃熱校平的樣片表面的氧化膜已基本褪去，經500 ℃熱校平樣片僅留有很稀薄的氧化膜。而經 600 ℃熱校平樣片，酸蝕 60 min后，表面仍還有一層灰白色的氧化膜。說明熱校平溫度越高，生成的氧化膜越厚，除去氧化層所需的酸蝕時間越長。

圖1 樣片在酸洗前后表面形貌圖Fig.1 The morphology of Ti substrates before and after acid etching for different acid-etching time

圖2給出單位面積鈦基材質量損失與酸蝕時間的關系曲線。從圖2可以看出，沒有熱校平的樣品a單位面積的質量損失與酸蝕時間呈線性關系。

圖2 單位面積鈦基材質量損失與酸蝕時間的關系曲線Fig.2 The relationship between mass loss and acid-etching time of Ti substrates

而經熱校平處理的樣品，表現(xiàn)出與樣品a完全不一樣的腐蝕規(guī)律，如樣品d所述，鈦基材單位面積質量損失與酸蝕時間的關系曲線可分為三段。第一階段(0~25 min)，斜率較低，即酸蝕速度較慢。這一階段質量損失應該為表面氧化鈦的腐蝕，因為氧化鈦的耐腐性高于鈦基體，因此表現(xiàn)出很低的腐蝕速度。第二階段(25~60 min)有最大的斜率，說明該階段有最大酸蝕速度。我們認為在這一階段表面殘余的氧化膜和暴露的金屬鈦之間形成了微電池，因為氧化膜的自腐蝕電位高于金屬鈦，作為微電池的陰極，暴露的基材鈦作為陽極優(yōu)先溶解，微電池反應促使鈦基材的快速腐蝕，因此有最大的腐蝕速度。第二階段持續(xù)到氧化膜被除去為止，然后進入到第三階段(60~160 min)：基材鈦的勻速腐蝕階段，這一階段與未經熱校平的樣品的腐蝕機理是一致的，因此表現(xiàn)出非常相接近的腐蝕速度。必須注意到，經600 ℃熱校平的樣品的腐蝕速度相對要小一些。因此，在生產實踐中，在保證不發(fā)生形狀記憶效應的情況下，可盡量降低熱校平的溫度，以縮短酸洗時間，提高生產效率。圖中還給出質量損失-酸蝕時間的一次線性方程，方程斜率即為基材的平均腐蝕速度，該圖中方程式可作為制定鈦基材酸蝕工藝參數(shù)的計算工具。

3 結 論

未經熱校平的鈦基材在草酸中以的恒定速度腐蝕，而經熱校平的鈦基材在草酸中的腐蝕過程則可分為三個階段，對應三個不同腐蝕機理，并有不同的腐蝕速度。 經450 ℃和500 ℃熱校平的鈦基材在各階段腐蝕速度相近，在 600 ℃高溫熱校平的鈦基材的在各階段的腐蝕速度都要低于其他三個樣品。

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Effect of the Heat Leveling Treatment on Corrosion Rate of the Titanium Matrix Composite in Oxalic Acid

WU Yun-miao
（College of Chemistry and Life Science, Quanzhou Normal University, Fujian Quanzhoun 362000, China)

The effect of heat leveling treatment on corrosion rate of the titanium matrix composite in oxalic acid solution was investigated. The result shows that the titanium matrix composite without heat leveling treatment can be dissolved at a constant rate of 0.474 g/(m2·min) in oxalic solution, but the corrosion process of the titanium matrix composite with heat leveling treatment can be divided into three stages, corresponding to three different corrosion rates, the first stage is the oxide layer breakage process, which has the minimum mass loss rate, the second stage is the tiny battery reaction process, which has the maximum mass loss rate, and the last stage is the pure Ti substrate dissolution at a constant mass loss rate that equals to that of the titanium substrate without heat leveling treatment. The equation of mass loss of titanium substrate against the etching time was established, the equation can be used as an efficient computational tool to design acid etching technology.

Ti substrate; Heat leveling treatment; Acid etching technology; Corrosion rate

TG172

A

1671-0460（2012）09-0908-02

泉州師范學院校自選科研基金（No. 2011KJ02）資助項目

2012-07-29

吳允苗（1984-），女，福建泉州人，助教，碩士，2010年畢業(yè)于福州大學化學化工學院，研究方向：納米材料與電化學。E-mail：wuyunmiao@163.com。