鈦合金因具有密度小、比強度高、熱穩定性好、高韌性、優良的耐腐蝕以及可焊接等優越的性能,使其廣泛地應用于航空航天、艦船等重要的國防工業領域。但鈦合金硬度低、耐磨損性能差,在磨損過程中易發生粘著、咬和[1],在一定程度上限制了鈦合金的應用。對鈦及鈦合金進行適當的表面處理,能有效的提高其表面性能,消除或緩解上述缺點,使其應用更加廣泛[2]。微弧氧化(MAO)是一項在鋁、鎂、鈦等金屬表面生長氧化物陶瓷膜的新技術[3,4,5,6,7,8,9]。它是通過電解液與相應電參數的組合,在鋁、鎂、鈦及其合金表面依靠弧光放電產生的瞬時高溫高壓作用,生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜。國內學者高廣睿[1]等通過微弧氧化在TC4鈦合金表面獲得微弧氧化膜層,研究了膜層的耐磨性和耐蝕性,結果發現膜層的耐蝕性比基體提高了一個數量級,膜層的摩擦系數為0.39,大于基體的0.28,膜層的耐磨性能顯著提高。

鋁合金也廣泛地應用于航空航天領域[10],鋁合金微弧氧化膜的主要成分是的γ-Al2O3和α-Al2O3,表面硬度可達到2 000 HV以上,同時,γ-Al2O3相能保證微弧氧化膜自身的韌性,使得在進行摩擦磨損過程中保持較好的耐磨性能[11]。與TC4鈦合金微弧氧化膜層相比,鋁合金的微弧氧化膜層的硬度更高,耐磨性能更為優良。因此,為了提高鈦合金微弧氧化膜層的硬度以及耐磨性能,本文以TC4鈦合金為研究對象,對其在不同條件下進行多弧離子鍍純鋁,然后,進行微弧氧化處理,分析在不同多弧離子鍍鋁工藝條件下,鋁涂層對TC4微弧氧化膜層組織結構、耐蝕性和耐磨性能的影響。

本實驗所用基體材料是尺寸17 mm×25 mm×2 mm的TC4鈦合金。在多弧離子鍍鋁前,用800#-2000#的水性砂紙依次進行打磨,去除試樣表面的毛刺和自然氧化膜,然后,進行拋光。將拋光好的試樣放在酒精或丙酮溶劑中,用超聲波儀器清洗,去除試樣表面的油污。

鈦合金表面多弧離子鍍鋁的設備由沈陽北宇真空有限公司制造的,型號為DM-3的多弧-濺射系統。多弧離子鍍鋁工藝參數為:試樣與鋁靶(純度為99.99%)的距離為16 cm;Ar氣的工作氣壓為1.4 Pa,電弧電流為50 A,偏壓為-200 V、-300 V,占空比為15%,沉積溫度為25℃、250℃,濺射時間為20 min。

采用MAO60H型微弧氧化設備,將經過多弧離子鍍鋁的4種樣品在直流脈沖方式下進行微弧氧化處理。將濺射鋁后的TC4樣品作為陽極,不銹鋼槽作為陰極。電解液為:8 g/L的Na2Si SO3·9H2O,5 g/L的(Na PO3)6以及0.5 g/L的Na OH。微弧氧化的工藝參數設置為:電流密度為6.12 A/dm2,時間為30min。微弧氧化后的樣品用清水洗凈后吹干。

采用XJP-6A型光學顯微鏡觀察試樣的的表面形貌并對其進行分析。

對鍍鋁層微弧氧化膜進行常溫摩擦磨損試驗,采用的設備為HT-1000摩擦磨損試驗機,摩擦副用直徑為6 mm的GCr15小鋼球,試驗載荷為265.8 N,磨損時間為10 min,膜層的磨損半徑為3 mm,旋轉速率為336 rpm,潤滑條件為干摩擦。在實驗結束后,采用XJP-6A光學顯微鏡測量磨痕的寬度和深度,然后,計算出磨損體積。

點滴實驗,采用的溶液為:HCl(密度1.19)25 m L,重鉻酸鉀3 g,蒸餾水75 m L,實驗溫度為室溫。

如圖1所示,在不同偏壓和溫度TC4鈦合金多弧離子鍍鋁后,再進行微弧氧化所制備的膜層光學顯微形貌。從圖1可以看出,4種偏壓溫度制備的微弧氧化膜層表面均較粗糙,且都有形狀不規則、分布不均勻類似火山口的微孔,這些微孔一般認為是微弧氧化的放電通道,其形成的原因[12]在于當外加電壓超過外層氧化膜的擊穿電壓后,薄膜出現局部放電。對比圖1(a)與圖1(c)或圖1(b)與圖1(d)可以看出,隨著偏壓的增大,膜層表面粗糙度逐漸減少,膜層孔徑也在逐漸減小,可能是由于偏壓的增大使得離子鍍鋁層的致密度得到改善,微弧氧化局部區域放電比較均勻。對比圖1(a)與圖1(b)或圖1(c)與圖1(d)可以看出,250℃下的微弧氧化膜層的微孔數量較少,微孔孔徑更小,熔融、氧化物質較少�？赡茉�因是在250℃條件下,離子鍍鋁層的沉積速率較快,鍍層結晶較好。

如圖2所示,不同條件下的微弧氧化膜的摩擦系數與摩擦時間關系曲線,磨損體積對比圖,如圖3所示。從圖2可以看出,4種微弧氧化膜層的摩擦系數在0~0.5 min迅速上升,可能是由于在摩擦副剛剛接觸試樣表面時,試樣在表面的粗糙度較大,使得摩擦阻力迅速上升,導致摩擦系數迅速提升。當偏壓和溫度分別為-200 V、250℃時,微弧氧化膜層的摩擦系數一直呈上升趨勢,其平均摩擦系數較大約為0.96,這種變化趨勢可能和微弧氧化膜層表面的粗糙程度及其氧化層有關,從圖3b看出膜層的磨損體積也較大。在偏壓和溫度分別為-300 V、250℃時,微弧氧化膜層的摩擦系數呈現先增加后減少的趨勢,最后趨于平穩,其平均摩擦系數較小,約為0.80,該曲線變化趨勢可能原因是該膜層具有較高的硬度,膜層表面粗糙度小,摩擦產生的磨屑尺寸較均勻,填充到微弧氧化的微孔中,起到了很好的減磨作用,由圖3d可知微弧氧化膜層的磨損體積較小,由此可見,偏壓為-300 V時得到的微弧氧化膜層的摩擦系數較小,磨損體積也較小,摩擦性能更好。當溫度偏壓分別為25℃-300 V、250℃-300 V時,前者的摩擦系數波動較后者的大,可能是由于在摩擦過程中,微弧氧化膜的疏松層遭到破壞,并開始剝落,由圖3可知,溫度在250℃時磨損體積較小,可見,溫度為250℃得到的微弧氧化膜層的摩擦系數波動較小,磨損體積較小,摩擦性能更好。在偏壓溫度為-300 V、250℃的摩擦性能最好。

不同偏壓和不同溫度離子鍍鋁條件下TC4微弧氧化膜耐點滴試驗的結果,如圖4所示,可以看出,溫度分別為25℃、250℃,偏壓分別為-200 V、-300 V的微弧氧化膜的變色時間依次分別是25.00 min、29.53 min、26.38 min、34.47 min。對比圖4a與圖4c,以及圖4b和圖4d可知,溫度為25℃或250℃時,隨著偏壓的增加,膜層的耐蝕性增加,這與膜層表面致密度增加有關,如圖1所示。在偏壓和溫度為分別為-300 V、250℃時,微弧氧化膜耐蝕性能最好。

(1)隨著多弧離子鍍鋁的負偏壓或溫度的增大,微弧氧化膜表面的微孔數量逐漸減少,微孔的孔徑也在逐漸減小,表面粗糙度降低。

(2)溫度分別為25℃、250℃,偏壓分別為-200V、-300 V的微弧氧化膜的平均摩擦系數依次分別為0.866、0.961、0.825、0.801,磨損體積分別為0.0668207 mm3、0.0616820 mm3、0.0593920 mm3、0.0421372 mm3,綜合比較偏壓和溫度分別為-300 V、250℃的微弧氧化膜的耐磨性能最好。

(3)溫度分別為25℃、250℃,偏壓分別為-200V、-300V的微弧氧化膜的變色時間依次分別是25.00min、29.53min、26.38 min、34.47 min,偏壓和溫度分別為-300 V、250℃的微弧氧化膜的耐蝕性能最好。