王燁，陳晨，朱曉清，宋瑞宏,2，上官蕓娟

模擬體液中醫(yī)用鈦合金陽(yáng)極氧化膜的摩擦行為

王燁1，陳晨1，朱曉清1，宋瑞宏1,2，上官蕓娟1

（1.常州大學(xué) 機(jī)械與軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州市模具先進(jìn)制造技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164）

在TC4鈦合金表面獲得陽(yáng)極氧化膜，分析陽(yáng)極氧化膜膜厚隨電壓變化的規(guī)律，探討陽(yáng)極氧化膜在模擬體液中的摩擦性能。用強(qiáng)硫酸型溶液作為電解液，利用氧化還原反應(yīng)，用自制的設(shè)備在TC4鈦合金表面以不同的電壓進(jìn)行陽(yáng)極氧化，在試樣表面制得顏色各異的氧化膜。使用多功能材料CFT–1型表面綜合性能測(cè)試儀，對(duì)陽(yáng)極氧化膜在模擬體液中進(jìn)行摩擦性能測(cè)試。陽(yáng)極電壓從15 V增大到100 V，氧化膜厚度從6.2 μm 增大到28.4 μm，平均摩擦因數(shù)先增大后減小。電壓升高，Rutile TiO2在陽(yáng)極氧化膜的含量不斷提高。氧化膜在模擬體液中的摩擦行為分為3個(gè)過(guò)程，第一階段，各種電壓的TC4合金氧化膜均在前5 min完成短時(shí)跑和；第二階段，摩擦因數(shù)震蕩上升，隨著電壓的升高，氧化膜磨粒磨損加劇，局部出現(xiàn)剝落，75 V的剝落最大，100 V的磨痕比較平整；第三階段，摩擦因數(shù)再次爬升，15、35、60 V出現(xiàn)在36 min時(shí)，75 V出現(xiàn)在40 min時(shí)，100 V在48 min時(shí)，陽(yáng)極氧化膜被磨穿。氧化膜的顏色、耐磨性、物相及表面形貌受電壓影響。鈦合金陽(yáng)極氧化膜在模擬體液中耐磨性良好，磨損類(lèi)型為磨粒磨損。

TC4鈦合金；電壓；強(qiáng)硫酸型溶液；陽(yáng)極氧化；摩擦

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鈦合金的耐蝕性好、質(zhì)輕、比強(qiáng)度高[1-2]，在航空航天、武器裝備、醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛運(yùn)用。人體骨骼的彈性模量、泊松比與醫(yī)用鈦合金TC4相對(duì)于其他金屬最為相近，醫(yī)用鈦合金還有良好的生物相容性，“變態(tài)溫度”較低，且具有良好的常溫記憶能力[3-4]，體溫下即可恢復(fù)記憶。這些性能決定了TC4在人體植入、人工關(guān)節(jié)替代、彌合斷骨、修復(fù)骨骼上有了廣泛應(yīng)用[5-6]。TC4鈦合金切削時(shí)易發(fā)生滑移、位錯(cuò)環(huán)堆積，造成加工硬化，剪切抗力降低，耐磨性較差[7]。同時(shí)，Ti原子的電負(fù)性小，性能活潑，電離勢(shì)較小，耐腐蝕性差[8]。將鈦合金植入人體，材料與人體骨骼等硬化組織直接接觸，周?chē)涑怏w液，鈦合金外層電子容易丟失，溶出金屬離子，對(duì)體液和人的生物組織產(chǎn)生影響，離子濃度增大，加速鈦合金腐蝕，易造成鈦合金提前失效，腐蝕液侵入人體細(xì)胞，引起病理危害[9-10]。因此，研究體液中TC4合金的耐磨性能有著迫切的實(shí)用需求。陽(yáng)極氧化醫(yī)用鈦合金TC4，在TC4表面制備氧化膜，制備工藝簡(jiǎn)單，實(shí)用價(jià)值突出，一方面TC4基材能較好地結(jié)合陽(yáng)極氧化膜，抗磨損性和耐蝕性均有效提高[11-12]；另一方面氧化膜是成纖維型，起伏不斷，迷宮狀的多孔結(jié)構(gòu)，這和骨細(xì)胞排列方式相識(shí)，有利于TC4合金與骨骼等硬化組織的結(jié)合[13-14]。調(diào)整酸性溶液配比和試驗(yàn)條件，控制多孔的結(jié)構(gòu)形態(tài)和尺寸大小，對(duì)鈦合金表面性能進(jìn)行改進(jìn)，醫(yī)學(xué)界的研究人員給予極高關(guān)注，硬化組織替代應(yīng)用潛力巨大，多孔機(jī)構(gòu)控制的學(xué)術(shù)價(jià)值較大。

本文配制了一種強(qiáng)硫酸型溶液作為電解液，自制了陽(yáng)極氧化設(shè)備，利用氧化還原反應(yīng)，在鈦合金板表面制備了一層起伏不斷、纖維型連接、迷宮狀的多孔氧化膜。不同電壓下，制得氧化膜色彩鮮亮，顏色各異，研究不同陽(yáng)極電壓下TC4合金陽(yáng)極氧化膜微觀組織演變，探討電壓不同的條件下，制成的陽(yáng)極氧化膜在Hank’s模擬體液中的摩擦行為。

1 試驗(yàn)

1.1 醫(yī)用鈦合金陽(yáng)極氧化

本文以醫(yī)用（α+β）雙相新型鈦合金TC4（Ti–6Al–4V）為基體，其化學(xué)成分如表1所示。試樣制備，取一醫(yī)用鈦合金板材，人工打磨，電火花線切割試樣，拋光后，完成若干10 mm×10 mm×5 mm的小試樣，小試樣必須鏡面無(wú)劃痕。試樣經(jīng)丙酮超聲清洗、電解水沖洗、干燥后備用。試驗(yàn)裝置是自制氧化裝置，主要由無(wú)刷攪拌、電解液槽和冷卻系統(tǒng)組成。自制電解液由硫酸、磷酸、氫氟酸、去離子水按特定比例組成。

表1 醫(yī)用TC4鈦合金成分表

Tab.1 Chemical composition of TC4 wt.%

在自制的電解溶液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，恒壓恒流MP2002D電源陽(yáng)極連接TC4醫(yī)用鈦合金，陰極連接不銹鋼板材，通過(guò)固定裝置使兩級(jí)間距為6 cm，脈沖電壓分別為15、35、60、75、100 V，脈沖頻率為550 Hz，通過(guò)冷卻裝置保持電解液溫度為20 ℃，處理時(shí)間為3 min，取樣得到不同色澤的氧化膜。

1.2 氧化膜形貌和物相分析

用肉眼觀察氧化膜的顏色。使用MCW–2000B型（渦流）涂層測(cè)厚儀，測(cè)量陽(yáng)極氧化膜厚度。使用SUPRA–55型掃描電鏡，表征陽(yáng)極氧化膜的微觀組織形貌，觀測(cè)陽(yáng)極氧化膜在模擬體液中摩擦磨損后的磨痕形貌，檢測(cè)其元素分布。使用Smartlab9型X射線衍射儀，測(cè)定陽(yáng)極氧化膜物相的組成，調(diào)試設(shè)備參數(shù)為：功率6 kw，掃描速度30 (°)/min，開(kāi)始狹縫=1°，對(duì)應(yīng)陣列探測(cè)器=0.3 mm。

1.3 氧化膜形貌和物相分析腐蝕摩擦試驗(yàn)

腐蝕摩擦試驗(yàn)全程浸在模擬體液中。表2是模擬體液的成分配比。試驗(yàn)設(shè)備為多功能材料CFT–1型表面綜合性能測(cè)試儀。采用4 mm的Si3N4陶瓷球作對(duì)磨球，載荷為300 N，電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 r/mm，時(shí)間1 h。在試驗(yàn)機(jī)往復(fù)托盤(pán)上放置自制的容器，其內(nèi)放置模擬體液，把對(duì)磨球和試樣浸沒(méi)其中，進(jìn)行室溫球?平面接觸的往復(fù)型摩擦磨損試驗(yàn)。采用JSM6460型掃描電鏡對(duì)TC4陽(yáng)極氧化膜的磨痕圍觀組織形貌進(jìn)行觀測(cè)。

表2 Hank’s模擬體液成分

Tab.2 Compositions of Hank’s simulated body fluid g/l

2 結(jié)果與討論

2.1 電壓對(duì)氧化膜顏色及膜厚的影響

圖1為由同一種自制的電解液在0～100 V中間隔15～20 V取5種不同電壓制成的TC4合金陽(yáng)極氧化膜。如果電壓間隔較少，顏色區(qū)別不明顯。宏觀上可以看到5種電壓制備的氧化膜，顏色各異，變化明顯，表面光滑。

由圖1可知，工作電壓在0～100 V時(shí)，伴隨電壓的增加，氧化膜的表面，每隔20 V，色彩有顯著區(qū)別。在氧化膜表面等距位置選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量膜厚。如表3所示，得到陽(yáng)極氧化膜5個(gè)測(cè)量位置的平均值。說(shuō)明如果電解液不變，陽(yáng)極氧化TC4合金制得氧化膜，伴隨電壓的增加，氧化膜增厚。根據(jù)薄膜干涉原理，氧化膜的厚度決定其自身的色彩[14-15]，從15～100 V制備的試樣，顏色變暗，逐漸成深色，變化顯著，證明了氧化膜顏色是隨膜均勻增厚而變化[16]。

圖1 不同電壓制備的TC4陽(yáng)極氧化膜照片

表3 TC4鈦合金氧化膜厚度受電壓的影響

Tab.3 Eletric voltages on thicknesses of oxidation film on TC4 titanium alloy μm

2.2 電壓對(duì)氧化膜表面形貌及物相的影響

由圖2所知，5種電壓所得的陽(yáng)極氧化膜表面形貌清晰，均見(jiàn)等軸面六方晶系α相+立方晶系β相組織（β相板條狀條紋，即圖中的白色凸起），說(shuō)明陽(yáng)極氧化膜透明。電壓促進(jìn)鈦在酸性溶液中的腐蝕，隨著電壓的升高，而β相的耐腐蝕性?xún)?yōu)于α相，局部α相優(yōu)先氧化，造成β相逐漸變粗增大，生成的氧化物覆蓋在白色條紋β相上，氧化物在兩相中的溶解度不同，在β相周?chē)纬筛患身g窩狀凝結(jié)，凝結(jié)面積隨電壓不斷增大，導(dǎo)致陽(yáng)極氧化膜增厚的速度逐漸不均勻，β相逐漸變禿而淡化，α相上凹坑愈加明顯。陽(yáng)極氧化后，試樣表面均形成起伏不斷、纖維型規(guī)則相連、成迷宮狀的多孔結(jié)構(gòu)的氧化膜[17-18]。隨著電壓的增大，β相和α相凹凸變化也愈加明顯，生成的氧化膜的孔徑也不斷增大[19]。

圖3是陽(yáng)極氧化膜層的X射線衍射分析結(jié)果。15～60 V時(shí)陽(yáng)極氧化膜膜層X(jué)RD物相分析結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鈦氧化物的衍射峰。這是因?yàn)殛?yáng)極氧化膜膜層比較薄且透明，被X射線直接穿透，射線直達(dá)TC4基體，因而出現(xiàn)TC4的衍射峰。75、100 V時(shí)陽(yáng)極氧化膜膜層X(jué)RD物相分析結(jié)果除了有基材的衍射峰，膜層中出現(xiàn)了銳鈦礦型TiO2（Anatase）和金紅石型TiO2（Rutile）。說(shuō)明金紅石型TiO2（Rutile）和銳鈦礦型TiO2（Anatase）是5種電壓陽(yáng)極氧化生成的膜的主要成分。銳鈦礦型TiO2（Anatase）的X射線衍射峰沒(méi)變，金紅石型TiO2（Rutile）的X射線衍射峰變強(qiáng)，同時(shí)α–Ti和β–Ti的衍射峰減弱，表明增大陽(yáng)極電壓，Rutile TiO2在陽(yáng)極氧化膜的含量不斷提高。在結(jié)構(gòu)上，Rutile TiO2比Anatase TiO2穩(wěn)定，前者的硬度、密度、介電常數(shù)都優(yōu)于后者[20-21]，因此電壓升高，陽(yáng)極氧化膜會(huì)有更好的表面性能[22-23]。

2.3 電壓對(duì)氧化膜腐蝕耐磨性的影響

由圖4a可知氧化膜的摩擦因數(shù)曲線大致可分為3個(gè)階段。

第一階段，對(duì)磨球與陽(yáng)極氧化膜跑合，各種電壓的TC4合金氧化膜均在前5 min完成短時(shí)跑和，在此階段，兩表面間少量的微凸體相接觸, 陽(yáng)極氧化膜起到一定的減摩作用[24]，摩擦因數(shù)較小。

第二階段，摩擦發(fā)生在氧化膜與對(duì)磨球之間，摩擦因數(shù)明顯爬升，經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)微動(dòng)循環(huán)，摩擦因數(shù)逐漸增大，在10 min左右，達(dá)到穩(wěn)定，由于摩擦力只是單向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，模擬體液中在對(duì)磨球和陽(yáng)極氧化膜接觸面形成的潤(rùn)滑膜，潤(rùn)滑磨損面和阻隔磨削。多孔氧化膜與對(duì)磨球的接觸面凹凸接觸。由圖2可知，陽(yáng)極氧化膜表面有白色凸起構(gòu)成孔邊，模擬體液充塞在周邊，摩擦過(guò)程中，在孔凹和孔邊部位，分別形成流體潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑，孔凹表面形成體液膜層，凸起處形成黏著，多孔氧化膜的連續(xù)性使摩擦力發(fā)生往復(fù)變化，兩者產(chǎn)生總的摩擦力，多孔結(jié)構(gòu)使體液膜層的潤(rùn)滑效果明顯，摩擦因數(shù)較低。隨著磨損過(guò)程的進(jìn)行，凸起逐漸遭到破壞，對(duì)磨球和氧化膜在接觸區(qū)產(chǎn)生大量磨屑，磨屑填充孔，凹陷處逐漸填滿(mǎn)，體液溢出，固液兩相流速不同，大部分磨屑未隨體液介質(zhì)溢出，造成接觸區(qū)面積增大，磨屑堆積，從而加劇磨粒磨損，所以在第二階段，摩擦因數(shù)震蕩中略有上升。結(jié)合表3、圖2和圖5a—c可知，電壓較小時(shí)，陽(yáng)極氧化膜較薄，陽(yáng)極氧化膜表面白色凸起小而疏散，導(dǎo)致不能很好地貼合對(duì)磨球，因而造成劇烈波動(dòng)的摩擦因數(shù)。由圖5d可見(jiàn)，75 V試樣磨痕不連貫，出現(xiàn)的金紅石型TiO2加大了磨粒磨損，局部出現(xiàn)剝落，說(shuō)明磨損表面接觸不好，耐磨性較差。由圖5e可見(jiàn)，100 V的磨痕比較平整，也沒(méi)有出現(xiàn)剝落。電壓的提升，氧化膜越來(lái)越厚，使基材發(fā)生固溶強(qiáng)化，增強(qiáng)了耐磨性。此外，出現(xiàn)的金紅石型TiO2組織更加細(xì)密[25]，且有平整性良好的表面，提高了氧化膜的耐磨性能，進(jìn)而在摩擦過(guò)程中表現(xiàn)出良好的耐磨性。

圖2 陽(yáng)極氧化膜的掃描電鏡照片

圖3 陽(yáng)極氧化膜的XRD分析

第三階段，摩擦因數(shù)再次爬升，氧化膜被磨穿, 此階段摩擦發(fā)生在鈦合金基材與對(duì)磨球之間，摩擦因數(shù)增大，反映氧化膜在模擬體液中的耐磨性?xún)?yōu)于基材。15、35、60 V出現(xiàn)在36 min時(shí)，75 V出現(xiàn)在40 min時(shí)，陽(yáng)極氧化膜被磨穿，2種氧化膜的黏著作用不同，在β相鈦周邊富集不均勻，造成局部剝落，在對(duì)磨球往復(fù)剪切和重力擠壓作用下氧化膜受到破壞，對(duì)磨球到達(dá)TC4合金表面，鈦合金和對(duì)磨球接觸面有大量磨粒，直接接觸面小，應(yīng)力變大，造成TC4合金局部塑性變形，對(duì)磨球和鈦合金接觸點(diǎn)處發(fā)生“焊合”[26]，開(kāi)始發(fā)生黏著磨損，隨著時(shí)間的推移，趨勢(shì)增大，摩擦因數(shù)也逐漸震蕩上升。而在48 min時(shí)，100 V樣品的摩擦因數(shù)震蕩上升到最大，高臺(tái)跳水，后繼續(xù)震蕩上升，這時(shí)“焊合”點(diǎn)被磨削切斷，堆積的磨屑被微動(dòng)轉(zhuǎn)移，填充或被體液帶走。整個(gè)磨損成一個(gè)局部塑性變形—黏著焊合—焊合點(diǎn)斷裂—再變形再黏著的反復(fù)狀態(tài)，造成摩擦因數(shù)像鋸齒形的震蕩波動(dòng)狀態(tài)。

由圖4b可知平均摩擦因數(shù)隨電壓的增大呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。15～75 v電壓，表面粗糙度逐漸增大，膜層厚度增大，固液兩相流速不同，磨屑堆積不能及時(shí)隨液體微動(dòng)轉(zhuǎn)移，造成接觸區(qū)堆集，加劇了磨粒磨損，造成氧化膜與對(duì)磨球的直接接觸面減小，平均摩擦因數(shù)逐漸增大；隨著電壓增大，膜厚也增大，膜平均摩擦因數(shù)在試驗(yàn)中明顯優(yōu)于基材，厚度的增加使得100 V試樣的磨穿時(shí)間延后，直到55 min才被磨穿，平均摩擦因數(shù)較小。

2.4 磨損形貌及磨損機(jī)制分析

圖5為不同電壓下TC4鈦合金陽(yáng)極氧化膜在模擬體液中腐蝕摩擦的微觀形貌。在模擬體液中，氧化膜表面均分布著沿磨損方向的犁溝，磨損斑周邊都有磨屑，對(duì)磨球的擠壓，造成磨屑堆積，磨粒磨損特征明顯。采用表面綜合性能測(cè)試儀做往復(fù)摩擦，摩擦力由配重塊提供，對(duì)磨桿較長(zhǎng)，要往復(fù)移動(dòng)，會(huì)發(fā)生彈性形變，造成位移幅的真實(shí)值小于設(shè)定值，對(duì)磨桿往復(fù)的彈性變形使TC4塑性形變加劇，造成黏著磨損。隨著氧化膜的完整性被破壞，多孔氧化膜和對(duì)磨球接觸區(qū)變得凹凸不平，體液膜層和凸起條紋與對(duì)磨球往復(fù)接觸，凸起條紋和對(duì)磨球發(fā)生黏著咬合，撕裂剝落，形成小凹坑。如圖5d所示，脫落的氧化物磨屑推擠在接觸面周?chē)?，在磨削過(guò)程中充當(dāng)磨粒，沿對(duì)磨桿往復(fù)方向，在摩擦表面形成長(zhǎng)寬不一的犁溝。在配重塊重力擠壓下和對(duì)磨球往復(fù)切剪作用下，模擬體液中，磨損表面可見(jiàn)磨屑成鱗片狀脫落、凹坑成韌窩狀且深淺不一、犁削痕跡不規(guī)則。如圖5a—c所示，對(duì)磨球?qū)ρ趸な┘油鶑?fù)載荷，在切剪作用下，TC4合金和氧化膜內(nèi)部壓、拉應(yīng)力造成2種應(yīng)變，成周期性快速交替狀態(tài)，造成氧化膜表面與基材表面低周疲勞，隨著往復(fù)次數(shù)的增加，磨損面和結(jié)合面出現(xiàn)疲勞裂紋，2種疲勞裂紋交匯的地方疲勞加劇，造成磨損面出現(xiàn)鱗狀剝落和韌窩點(diǎn)蝕，黏著磨損和磨粒磨損是15～60 V試樣的主要磨損機(jī)理。在模擬體液形成的磨損斑寬而圓，表面主要為長(zhǎng)寬不同、分布不均的犁溝，見(jiàn)圖5d、圖7e，磨粒磨損和犁溝磨損是75～100 V試樣的主要磨損機(jī)理。由表4可知，5種電壓的氧化膜磨損面經(jīng)EDS能譜分析，發(fā)現(xiàn)表面主要含有Ti、Al，說(shuō)明TC4合金在模擬體液中未發(fā)生腐蝕摩擦。

圖4 隨時(shí)間變化的摩擦因數(shù)曲線（a）和隨電壓變化的平均摩擦因數(shù)曲線（b）

圖5 陽(yáng)極氧化膜磨痕的掃描電鏡照片

表4 陽(yáng)極氧化膜腐蝕摩擦后磨痕處的EDS

Tab.4 Chemical composition at the abrasion mark after anodic oxidation film corrosion and friction wt.%

3 結(jié)論

1）工作電壓在15～100 V時(shí)，間隔15～20 V取5種不同電壓制備成陽(yáng)極氧化膜，宏觀上可以看到5種電壓制備的氧化膜，顏色各異，變化明顯，表面光滑。

2）經(jīng)陽(yáng)極氧化，TC4合金表面形成表面起伏、結(jié)構(gòu)連續(xù)的氧化膜。電壓從15 V 增大到100 V，氧化膜厚度從6.2 μm 增大到28.4 μm。

3）在模擬體液中的摩擦結(jié)果表明，隨陽(yáng)極電壓的增大，氧化膜的摩擦因數(shù)先變大后變小。

4）氧化膜在模擬體液中的摩擦行為分為3個(gè)過(guò)程。第一階段，對(duì)磨球與陽(yáng)極氧化膜跑合，摩擦因數(shù)較小。第二階段，摩擦因數(shù)震蕩上升。電壓的提升，氧化膜越來(lái)越厚，100 V時(shí)基材發(fā)生固溶強(qiáng)化，增強(qiáng)了耐磨性。此外，電壓的提升促使金紅石型TiO2組織更加細(xì)密，提高了氧化膜的耐磨性能。第三階段，摩擦因數(shù)再次爬升， 5、35、60 V出現(xiàn)在36 min時(shí)，75 V出現(xiàn)在40 min時(shí)，100 V出現(xiàn)在55 min時(shí)，氧化膜被磨穿，隨著電壓增大，膜厚也增大，膜的平均摩擦因數(shù)明顯小于第三階段，說(shuō)明膜的耐磨性?xún)?yōu)于基材。在模擬體液中鈦合金陽(yáng)極氧化膜的耐磨性良好，TC4合金在模擬體液中未發(fā)生腐蝕摩擦。

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Tribological Behavior of Anodic Oxide Film on Titanium Alloy in Simulated Body Fluid

1,1,1,1,2,1

(1. School of Mechanical Engineering and Rail Transit, Changzhou University, Jiangsu Changzhou 213164, China; 2. Changzhou High Technology Research Key Laboratory of Mould Advanced Manufacturing, Jiangsu Changzhou 213164, China)

Titanium alloy has been widely used in aerospace, weapon equipment, medical and other fields because of its good corrosion resistance, light weight and high specific strength. TC4 titanium alloy has good biocompatibility and unique shape memory and hyperelasticity. Its elastic modulus is closest to the elastic modulus of human bone among the existing biological alloy materials. It has been widely used in human hard tissue repair operations such as artificial joint, bone repair, broken bone joint and so on. The main research content of this experiment is to obtain anodic oxide film on the surface of TC4 titanium alloy, analyze the variation law of anodic oxide film thickness with voltage, and explore the friction performance of anodic oxide film in simulated body fluid.

The anodizing experiment adopts a self-made oxidation device, which is mainly composed of constant voltage and constant current mp2002d power supply, electrolytic cell, stirring system and cooling system. The self-made electrolyte consists of sulfuric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid and deionized water in a specific proportion. The anodic oxidation is carried out in the self-made electrolytic solution. The anode is made of TC4 medical titanium alloy, and the cathode is made of stainless steel plate. The distance between the two poles is maintained at more than 5 cm. The pulse voltage is applied with 15 V, 35 V, 60 V, 75 V and 100 V respectively, and the pulse frequency is 550 hz. The temperature of the electrolytic solution is maintained at 20 ℃ through the cooling device for 3 min. The oxide films of different colors are obtained by sampling. XRD and SEM experiments were used to analyze the phase structure, film thickness and microstructure of the anodic oxide film. The friction properties of the anodic oxide film in simulated body fluid were tested by cft-1 surface comprehensive performance tester.

The experimental results show that the thickening rate of anodic oxide film of titanium alloy is gradually uneven with the increase of voltage, β Phase titanium gradually becomes bald and fades, α The pit becomes more and more obvious, resulting in β Phase harmony α The pore size of the oxide film increases with the change of phase concavity and convexity; When the anode voltage increases from 15 V to 100 V, the oxide film thickness increases from 6.2 μm increased to 28.4 μm. At the same time, through the phase analysis experiment, it is found that the content of rutile TiO2in the anodic oxide film increases continuously with the increase of voltage, which shows excellent properties in hardness, density and dielectric constant; Therefore, with the increase of voltage, the anodic oxide film will have better surface properties. Through the friction experiment, it is found that the friction behavior of oxide film in simulated body fluid is divided into three processes. In the first stage, TC4 alloy oxide film with various voltages completed short-time running and running in the first 5 minutes. In the second stage, the friction coefficient fluctuates and rises. With the increase of voltage, the wear of oxide film abrasive particles intensifies, and local spalling occurs. The spalling of 75 V is the largest, and the wear mark of 100 V is relatively flat. In the third stage, the oxide film friction coefficient of each voltage climbs again at different times, 15 V, 35 V and 60 V at 36 min, 75 V at 40 min and 100 V at 48 min. At this time, the anodic oxide film is worn through.

The anode voltage will affect the color, thickness, surface morphology, phase and wear resistance of the oxide film. The higher the voltage, the darker the color, the higher the thickness and the stronger the wear resistance of the oxide film. The results of friction in simulated body fluid show that with the increase of anode voltage, the friction coefficient of oxide film first increases and then decreases; The anodic oxide film of titanium alloy has good wear resistance in simulated body fluid, and the wear type is abrasive wear.

TC4 titanium alloy; voltage; modulation of strong acid solution; anodic oxidation; corrosion friction

2021-05-28；

2021-12-29

WANG Ye(1986-), Male, Master, Engineer, Research focus: metal materials surface engineering.

宋瑞宏（1969—），男，碩士，教授，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧媳砻婀こ獭?/p>

SONG Rui-hong (1969-), Male, Master, Professor, Research focus: metal materials surface engineering.

王燁, 陳晨, 朱曉清, 等.模擬體液中醫(yī)用鈦合金陽(yáng)極氧化膜的摩擦行為[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(9): 113-119.

Th117；tg174

A

1001-3660(2022)09-0113-07

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–05–28；

2021–12–29

2019年常州市模具先進(jìn)制造高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（2019–03）；泗洪縣重點(diǎn)科技研發(fā)計(jì)劃–產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關(guān)鍵技術(shù)（H201805）

Fund：Open Fund of Changzhou High Technology Research Key Laboratory of Mould Advanced Manufacturing in 2019 (2019-03); Key Technology Research and Development Program of Sihong County-industry Outlook and Common Key Technology (H201805)

王燁（1986—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧媳砻婀こ獭?/p>

WANG Ye, CHEN Chen, ZHU Xiao-qing, et al. Tribological Behavior of Anodic Oxide Film on Titanium Alloy in Simulated Body Fluid[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 113-119.