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        電參數(shù)對TC4鈦合金微弧氧化陶瓷膜的影響

        2011-09-06 11:03:04禮潔冰王曉輝朱其柱
        關(guān)鍵詞:微弧陶瓷膜微孔

        禮潔冰,趙 暉,王曉輝,朱其柱

        (沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧沈陽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氧化物陶瓷膜層的表面處理新技術(shù)[2-5],是國際研究的熱點(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TC4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)長方體塊,均經(jīng)240#~1200#水磨砂紙逐次打磨、拋光、自來水漂洗、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,處理過程中通過循環(huán)水冷卻。采用雙極脈沖微弧氧化裝置對試樣進(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)字覆蓋層測厚儀測量膜層厚度,利用北京市時代機(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膜層的粗糙度。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 電參數(shù)對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,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,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,在微弧氧化過程中,從微孔中向外噴射的熔融物會更多。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間縮短,導(dǎo)致?lián)舸┨沾赡さ目锥措S之減少。由于脈寬沒有變化,擊穿的能量也沒有變化,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始減小,陶瓷膜致密性增強(qiáng)。脈寬影響單個脈沖的放電能量。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)動力增大,陶瓷膜厚度增長;增加脈寬,即增大單個脈沖的放電能量,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;增加脈間,作用在陶瓷膜上的脈沖時間會縮短,微弧氧化過程中參與反應(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,同時粗糙度也變大;增加脈寬,增大單個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,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。

        [1]Clearfield H M,Evans A G,Hutchision J W,et al.Surface Preparation of Metals,In:Engineered Materials Handbook[M].Metals Park,OH:American Society for Metals,1982.

        [2]Yerokhin A L,Nie X,Leyland A,et a1.Plasma electrolysis for surface engineering[J].Surface and Coatings Technology,1999,122(2):73-93.

        [3]薛文斌,鄧志威,張通和,等.鑄造鎂合金微弧氧化機(jī)理[J].稀有金屬材料與工程,1999,28(6):353-356.

        [4]于鳳榮,吳漢華,龍北玉,等.處理液濃度對鋁合金微弧氧化陶瓷膜成膜速率和硬度的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào) (理學(xué)版),2005,43(6):825 -829.

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