钛合金微弧氧化电参数对成膜特性及表面性能的影响

摘要

钛合金具有优异的比强度，良好的耐腐蚀性能、生物相容性等性能，但是，钛合金极差的摩擦磨损性能制约了其在工程中的应用。微弧氧化处理是改善钛合金耐摩擦磨损性能的有效方法。本文在Na2SiO3-(NaPO3)6-Na2MoO4溶液中，使用恒定脉冲电流和恒定脉冲电压两种控制模式制备Ti6Al4V合金的微弧氧化陶瓷层，分析了微弧氧化处理的电参数特性。使用扫描电子显微镜、X射线衍射、涡流测厚、超显微硬度、动态极化曲线、球-盘摩擦等方法分别研究电参数对陶瓷层形貌、相结构、厚度、显微硬度、耐腐蚀及摩擦学性能的影响，研究了陶瓷层的抗变形能力、拉伸强度以及电绝缘性能。
　　研究结果表明，钛合金微弧氧化过程存在三个阶段：第一阶段合金表面迅速生成一层厚约10μm的陶瓷层；第二阶段微弧放电区域不断扩展，陶瓷层厚度缓慢增长；放电区域扩展到整个表面后为第三阶段，陶瓷层厚度随时间快速增长。
　　钛合金微弧氧化陶瓷层主要由锐钛矿相和金红石相的TiO2组成，含有少量无定形相和Ti的不饱和氧化物。随着处理时间延长或者脉冲能量升高，金红石相含量增加。溶液中的成分参与成膜的化学反应，陶瓷层中含有Si、P等元素，Si元素在靠近外层处含量较高，而P元素则在内层偏聚；加入负向脉冲后，外层的Si元素含量明显升高。
　　经过微弧氧化处理后，钛合金表面的摩擦学性能大幅提高，微弧氧化陶瓷层摩擦系数相对于基体显著降低。对动态极化曲线分析表明，存在最佳的处理时间和负向脉冲参数，以获得较好的耐腐蚀性能；较小的占空比和正向脉冲电压条件下获得的陶瓷层耐蚀性能更好。其中处理时间为20min和占空比为4％的陶瓷层腐蚀电流相对于基体降低了4个数量级。
　　钛合金微弧氧化陶瓷层具有良好的机械性能，厚度大于30μm的陶瓷层在500kg压力作用下能保持与基体的良好结合。工件承受拉应力变形时，陶瓷层直到断裂破坏时才开始从基体上剥离。在金属表面原位形成陶瓷层后，减少了工件有效承受载荷的面积，拉伸强度降低了约5%。
　　电击穿试验结果表明，钛合金微弧氧化陶瓷层具有良好的电绝缘性能，其绝缘电压可达到800V以上。

目录

钛合金微弧氧化电参数对成膜特性及表面性能的影响

EFFECTS OF ELECTRICAL PARAMETERS DURING MICRO-ARC OXIDATION ON GROWTH DYNAMICS AND SURFACE PROPERTIES OF CERAMIC FILMS

摘要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 钛合金及其表面改性技术

1.3 微弧氧化技术

1.4 钛合金微弧氧化研究现状

1.5 本文研究目的及内容

第2章 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 微弧氧化设备

2.3 微弧氧化陶瓷层的制备方法

2.4 微弧氧化陶瓷层形貌与结构分析

2.5 微弧氧化陶瓷层性能测试

第3章 微弧氧化电参数特性及其对陶瓷层组织结构的影响

3.1 微弧氧化电参数特性研究

3.2 表面形貌分析

3.3 陶瓷层横截面形貌分析

3.4 组织结构分析

3.5 微弧氧化工艺参数对陶瓷层厚度的影响

3.6 本章小结

第4章 微弧氧化陶瓷层摩擦学性能与耐腐蚀性能研究

4.1 脉冲频率对摩擦与耐蚀性能的影响

4.2 占空比对摩擦与耐蚀性能的影响

4.3 处理时间对摩擦与耐蚀性能的影响

4.4 正向脉冲电流对摩擦与耐蚀性能的影响

4.5 正向脉冲电压对摩擦与耐蚀性能的影响

4.6 负向脉冲电压对摩擦与耐蚀性能的影响

4.7 负向脉冲宽度对摩擦与耐蚀性能的影响

4.8 本章小结

第5章 微弧氧化陶瓷层机械性能与绝缘性能研究

5.1 微弧氧化陶瓷层抗压变形

5.2 微弧氧化陶瓷层拉伸强度分析

5.3 微弧氧化陶瓷层绝缘性能分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

攻读学位期间发表的学术论文

致谢