Ta-W合金的化学机械抛光实验研究
强冲击载荷下 Ta-W 合金的塑变特征
强冲击载荷下 Ta-W 合金的塑变特征
张廷杰;张德尧;丁旭
【期刊名称】《稀有金属材料与工程》
【年(卷),期】1997(26)2
【摘要】用轻气炮加载和冲击波测量技术测量了Ｔａ和Ｔａ－Ｗ合金在１０４／ｓ～１０６／ｓ应变率下的形变行为。
根据平板冲击载荷条件，实验上建立了Ｔａ－Ｗ合金的动态响应的本构关系，测量出合金的各动力学特性参数。
本研究还就Ｔａ和Ｔａ－Ｗ合金在高应变率下的塑性形变方式、Ｗ的添加和应变率对动态形变过程及动力学性能的影响进行了观察分析和讨论。
【总页数】6页(P12-17)
【关键词】冲击载荷;塑变特性;冲击波;钽钨合金
【作者】张廷杰;张德尧;丁旭
【作者单位】西北有色金属研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.416
【相关文献】
1.在强热冲击下铝合金材料内部的微观损伤特征 [J], 尚新春;张志彪
2.交变载荷下铝合金冲击凹坑局部残余应力松弛的数值研究 [J], 周世友;周储伟;倪阳;郝建群
3.高速冲击载荷下钨骨架/Zr基非晶合金复合材料的变形特征 [J], 程焕武;王鲁;薛
云飞;王海丽;吴清山;张海峰;王爱民
4.变冲击面载荷作用下船舶板架结构强冲击响应研究 [J], 范桂杰
5.高速冲击载荷下93W-Ni-Fe合金冲击韧性及微观机制 [J], 陈文涛;蒋静;李世君;朱金华;张玉华
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化学机械抛光的理论模型研究综述
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黄传锦 周 海 陈 西府
（ 盐城 工学 院 机械 工程学 院 ， 盐城 ２４ ５ ） ２ ０ １
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的相 关特 点 ， 最后 对 Ｃ ＭＰ模 型的发展 和研 究方 向提 出展 望。 关键 词 ： 化学机械 抛光 ； 平坦 化 ； 抛光 率 ； 抛光 垫
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ta5w合金化学成分
ta5w合金化学成分TA5W合金是一种高强度、耐热的钛合金，其化学成分主要包括钛（Ti）、铝（Al）、钨（W）等元素。
本文将从钛、铝、钨三个方面介绍TA5W合金的化学成分。
钛是TA5W合金的主要成分，占比超过85%。
钛是一种轻质金属，具有优异的耐腐蚀性和高强度特性。
它的密度只有4.5克/立方厘米，相对于其他金属来说非常轻巧。
钛具有优异的化学稳定性，能够在大多数环境下保持良好的耐腐蚀性能。
此外，钛还具有良好的可塑性，可以通过加热和冷却等加工工艺进行成型，从而制造出各种复杂形状的零件。
铝是TA5W合金的另一个重要成分，占比约为6%。
铝是一种轻质金属，密度为2.7克/立方厘米，具有良好的导热性和导电性。
铝的加入可以提高合金的强度和硬度，并改善其耐热性能。
此外，铝还可以增加合金的耐蚀性，使其在潮湿和腐蚀性环境下具有更好的稳定性。
铝与钛的共晶相形成的细小颗粒可以有效地抑制晶粒长大，提高合金的综合力学性能。
钨是TA5W合金的重要合金化元素，占比约为4%。
钨具有高熔点、高密度和高强度等特点，可以显著提高合金的耐热性和耐磨性。
钨的加入可以形成硬质化相，如Ti3W、Ti2W等，这些硬质相可以有效地增加合金的硬度和抗磨性。
此外，钨还可以提高合金的抗拉强度和抗疲劳性能，使其在高温下具有更好的稳定性。
除了钛、铝和钨，TA5W合金中还含有少量的其他杂质元素，如铁（Fe）、氧（O）等。
这些杂质元素的含量通常很低，但它们对合金的性能也有一定的影响。
例如，铁的存在可以降低合金的塑性和韧性，同时增加硬度和抗磨性。
氧的存在可以使合金的强度和硬度得到提高，但也会降低其塑性和韧性。
因此，在合金制备过程中，需要控制这些杂质元素的含量，以确保合金的性能得到最佳的平衡。
TA5W合金的化学成分主要包括钛、铝、钨等元素。
钛作为主要成分赋予合金轻质、耐腐蚀和高强度的特性；铝的加入可以提高合金的强度、硬度和耐热性能；钨的加入可以显著提高合金的耐热性、耐磨性和抗疲劳性能。
钛合金抛光实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解钛合金抛光的基本原理和方法。
2. 掌握不同抛光工艺对钛合金表面质量的影响。
3. 评估抛光效果，并分析影响因素。
二、实验原理钛合金是一种具有高强度、低密度、良好的耐腐蚀性和生物相容性的金属材料，广泛应用于航空航天、医疗器械、体育器材等领域。
抛光是一种表面处理工艺，旨在提高金属表面的光洁度和美观度，同时改善其耐腐蚀性能和生物相容性。
钛合金抛光的基本原理是通过机械、化学或电解等方法去除表面缺陷，使表面达到一定的光洁度和平整度。
常用的抛光方法包括机械抛光、化学抛光和电解抛光。
三、实验材料与设备1. 实验材料：纯钛板（尺寸：100mm×100mm×5mm）2. 实验设备：- 抛光机：用于机械抛光和化学抛光- 电解抛光装置：用于电解抛光- 砂纸：用于机械抛光- 抛光膏：用于化学抛光- 电解液：用于电解抛光- 磁力搅拌器：用于混合电解液- 精密天平：用于称量实验材料- 显微镜：用于观察抛光效果四、实验步骤1. 机械抛光：- 将钛合金板用丙酮清洗干净，去除表面的油污和杂质。
- 使用不同粒度的砂纸（如1000号、2000号、3000号）对钛合金板进行抛光，每次抛光后用丙酮清洗干净。
- 观察抛光效果，记录光洁度。
2. 化学抛光：- 将钛合金板用丙酮清洗干净。
- 将抛光膏均匀涂抹在钛合金板上，用抛光机进行抛光。
- 观察抛光效果，记录光洁度。
3. 电解抛光：- 将钛合金板用丙酮清洗干净。
- 配制电解液，将钛合金板作为阳极，不锈钢板作为阴极，电解液温度控制在室温。
- 通电进行电解抛光，观察抛光效果，记录光洁度。
五、实验结果与分析1. 机械抛光效果：- 随着砂纸粒度的减小，钛合金板的光洁度逐渐提高。
- 粗砂纸抛光后，表面仍有微小的划痕；细砂纸抛光后，表面光洁度较好，但仍有轻微的痕迹。
2. 化学抛光效果：- 抛光后，钛合金板表面光洁度较高，无明显划痕。
- 抛光效果受抛光膏种类和抛光时间的影响。
混粉电火花加工TaW合金材料表面性能的研究
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第３ ２卷 第 １ 期 ２０ ０ ８年 ２月
南 京理 工大 学学 报 （ 自然科 学版 ）
Ｊｕｎ］ ｆ ａｊ ｇＵ ｉｅ ｉ ｆ ｃ ｎｅａｄＴ ｃｎｌｇ Ｎ ｔ ａ Ｓｉｎｅ ｏｒａ ｏ ｎｉ ｎｖｒ ｔ ｏ Ｓ ｉ ｃ ｎ ｅｈｏｏｙ（ ａ ｒｌ ｃ ｃ） Ｎ ｎ ｓｙ ｅ ｕ ｅ
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Ta-W合金的化学机械抛光实验研究
摘 要 针 的含量 对抛 光速率 和抛 光件表 面质量 的影 响二， 了ａｗ 金的最ｃ 抛 液 采 单 素 ， ｌ 对 ｗ 金 料 薄 零 化 机 抛 ｊ 设 光液巾各组 分 料佳含量光 。用 因法与机械作 Ｔ 合 材 圆 片 件 学 械 光， 定抛 Ｔ 合 材 Ｍ 区问 。找到化 学作用 改 一 艺计 — Ｐ 光液 内组份 以确
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２０ ０ ６年 第 ２期 （ 第 １ ６期 ） 总 ６
抛 光后 工件 的表 面状 态和 缺 陷 。故 在抛 光 液 中除 含 有 磨料 和氧 化剂外 ， 应 含有 刻 蚀 剂和 钝 化 剂 ， 实 还 以 现凸 区和 凹 之 问 、 同元 素之 间不 同的去 除速率 。 表 ２给 出 了 目前 ｌ 在 使 用 和 开 发 的金 属 Ｃ ｊ ＭＰ 浆料 品种 ¨ ’ ， ｐ 值 的不 同 ， 致 可 以分 为 按 Ｈ 大
除 速 率和 好 的 平 面 化 效果 的 关 键 。 （ ） 同金 属 元 ２不
力对 工 件 的影 响 。 实验 中采 用 的材料 为 Ｔ ＷＩ 化学 成分 如 表 １ ａ— ２，
．Байду номын сангаас
索 的氧化 去 除 速 率 之 比。任 同 一 种 氧 化 剂 条 件 下 ，
小 同金 属元 素 氧化 去 除 速 率 是 否 匹配 ， 重 影 响 着 严
作 的一些 Ｊ 艺 实验 。 二
个 完整 的金 属 Ｃ ＭＰ过 程 可 简 单 总 结 为 以 下 ： １ 金 属 表 面 发生 化 学 反 应 ， 成 氧 （） 形
四个 步骤
化 膜 和 钝 化 膜 ； ２） 料 的 机 械 作 用 去 除 氧 化 膜 ； （ 磨
（） ３ 产生新 的金 属表 面 ； ４ 重 复上 述过 程 。 （） 由于 Ｗ 和 Ｔ ａ强 度 和 硬 度 高 ， 腐 蚀 性 能 良 抗 好 ｍ］而 Ｆ ， ｅ易 被 腐 蚀 ， 此 ， ＭＰ中 钝 化 膜 将 会 产 因 Ｃ 生 至 关重 要 的作 用 。 所 谓 钝 化 膜 ， 是 抛 光 液 中 的 就
钛合金电辅助光诱导胶体射流抛光机理及实验研究
钛合金电辅助光诱导胶体射流抛光机理及实验研究钛合金电辅助光诱导胶体射流抛光机理及实验研究引言：随着科技的发展，钛合金材料因其优良的力学性能和耐腐蚀性在航空、航天、汽车和医疗行业得到广泛应用。
然而，传统的机械加工和化学抛光方法在处理钛合金时存在效率低、表面质量差、加工成本高等问题。
因此，发展一种高效、环保的抛光技术具有重要意义。
本文旨在研究钛合金电辅助光诱导胶体射流抛光的机理并进行实验研究，为钛合金的高效加工提供新思路。
一、胶体射流抛光原理胶体射流抛光技术是一种将高速射流载体与磨料颗粒混合并通过喷嘴喷射到工件表面，利用颗粒的冲击和磨削作用实现抛光的方法。
通过控制射流流速和颗粒浓度，可以控制抛光过程中的磨削效果。
在钛合金电辅助光诱导胶体射流抛光过程中，通过施加电场，可以进一步增强射流颗粒与工件之间的相互作用。
二、电辅助光诱导抛光机理1. 光诱导效应在抛光过程中，利用光照射工件表面，引发钛合金表面电化学反应。
光诱导效应可以产生电子-空穴对，从而增强表面的反应活性和抛光效果。
此外，光还可以提供激活能，促进抛光反应速率的提高。
2. 电场增强效应在钛合金表面形成电场后，可以改变表面的载流子密度分布。
当射流颗粒带电以后，受到电场力的作用，会受到强电场区域的引导，从而增加射流颗粒与工件表面之间的接触次数和有效撞击的能量。
三、实验研究为了验证钛合金电辅助光诱导胶体射流抛光的优势，我们进行了一系列实验。
1. 制备样品选取符合航空工业标准的钛合金样品，对样品进行打磨和清洗处理，确保表面光洁度和净化程度。
2. 实验装置搭建电辅助光诱导胶体射流抛光实验装置，包括光源、电源、电极、喷嘴和观测系统等。
3. 实验设计控制实验参数，如电压、喷嘴流速、颗粒浓度等，设计一系列实验方案。
4. 实验过程根据实验方案，依次进行实验，并记录抛光结果。
通过SEM观察表面形貌，利用显微硬度计测量表面硬度，使用光学显微镜检测表面光洁度等。
5. 结果分析对实验结果进行分析，评估钛合金电辅助光诱导胶体射流抛光的效果，并与传统抛光方法进行对比。
钨电化学抛光 工艺参数 单因素分析
钨电化学抛光工艺参数单因素分析为改善微创钨针表面组织粘附并提高其在体液环境中的耐腐蚀性,采用电化学抛光方法对钨进行加工试验并对工艺参数进行优化,研究电化学抛光对其表面形貌及在磷酸缓冲盐溶液中的耐腐蚀性的影响.在自行搭建的电化学抛光平台上,采用单因素试验法研究了电极间距、抛光电压、电解液浓度、温度和时间等多个因素对粗糙度Ra的影响规律和作用机理;基于单因素试验结果,采用正交试验法分析得到各工艺参数对粗糙度Ra的影响排序依次为:加工时间>电压>电解液浓度>温度;最佳抛光条件为:电极间距18mm,电压18V,NaOH 浓度3wt％,温度55°C,抛光时间10min.抛光后粗糙度Ra由0.15μm降至0.032μm;自腐蚀电位从-0.113V升至-0.051V,自腐蚀电流从6.918×10-5A/cm2降至6.761×10-6A/cm2.电化学抛光可以有效改善钨的表面形貌、降低表面粗糙度Ra并提高其在磷酸缓冲盐溶液中的耐腐蚀性。
钛合金的环保电化学抛光工艺
钛合金的环保电化学抛光工艺于 美 徐永振 李松梅 易俊兰 吴国龙 刘建华北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083摘 要 针对航空用钛合金开发了一种不采用氢氟酸、甲醇、铬酐类等有毒物质的低毒、无刺激、环保型电化学抛光工艺,并采用光学显微镜、原子力显微镜等方法对电化学抛光后的钛合金表面形貌进行研究.该工艺所用溶液由无水乙醇、乳酸、高氯酸和高氯酸钠组成,将T i -10V -2Fe -3Al 钛合金在直流电源恒电流模式下电化学抛光,可以通过改变抛光时间、电流密度和高氯酸浓度等参数控制腐蚀深度.分别在体积分数为5%,10%和15%的三种高氯酸溶液中和在20,25和30A ·dm -2三个电流密度下进行电化学抛光.抛光后的钛合金表面形貌观察结果表明:在高氯酸含量较低(5%)的溶液中以20A ·dm -2电流密度抛光可以取得较理想的效果.关键词 钛合金;电化学抛光;高氯酸;电流密度分类号 T G 146.2+3Environment -friendly electropolishing of titanium alloysY U Mei ,X U Y ong -zhen ,L I Song -mei ,Y I Jun -lan ,WU Guo -long ,L IU Jian -huaS chool of materials science and engineering ,Beihang University ,Beij ing 100083,ChinaABSTRAC T T he titanium alloy surface w as polished in a recently self -developed electroly te .T he morphology of the polished alloy surface w as characterized by optical microscopy (OM )and atomic force microscopy (A FM ).T he electroly te w as made of alco hol ,lac -tic acid ,perchloric acid and sodium perchlorate instead of those poisonous co mpositio ns such as hydrofluo ric acid ,methanol and chro -mate .The alloy surface was po lished in the solutions containing perchloric acid of 5%,10%and 15%in volume fractio n at different current densities of 20,25and 30A ·dm -2,respectively .T he corrosio n rate w as estimated by using weight loss me thod .T he thick -ness of the removed surface layer was dependent upon polishing time ,current density and the co ncentration o f perchloric acid .I t w as show n that the 5%perchlo ric acid and 20A ·dm 2current density were good to electropolishing o f the titanium alloy .KEY W ORDS titanium alloy ;electropolishing ;perchloric acid ;current density收稿日期:2007-12-23作者简介:于 美(1981—),女,讲师,博士;刘建华(1957—),男,教授,博士生导师,E -mail :l iujh @buaa .edu .cn 钛及钛合金是一种十分重要的结构材料,因其具有密度小、比强度高及优异的耐蚀性等优点在医用人工关节制造、航空航天工业等行业中获得越来越广泛的应用.虽然如此,钛合金在应用中却存在黏着磨损、微动腐蚀和电偶腐蚀敏感性等缺点.因此,通常在钛合金的应用中需要对其进行表面处理,目前应用比较广泛的是抛光工艺.常用的抛光工艺分两类:(1)化学抛光:多采用氢氟酸、酰胺类物质和铬酐类物质[1-3],这些物质是致癌的强毒性物质,严重损害人体健康,尤其是氢氟酸还容易挥发,腐蚀厂房设备;(2)电化学抛光中大量采用甲醇、冰醋酸和醚类等易挥发、强刺激性且对人体有毒性的化学溶剂[4-6].这两种抛光工艺对环境保护、人体健康都是十分不利的.基于以上原因,无论是实验室还是工厂中都迫切需要开发一种低毒、无刺激性的钛合金抛光工艺.本实验室近年来一直关注钛合金在服役过程中的腐蚀与防护问题[7-9].本文针对航空用Ti -10V -2Fe -3Al 钛合金开发了一种高氯酸含量低,以乙醇、乳酸及添加剂代替氢氟酸、酰胺类物质、铬酐和冰醋酸等有毒物质的低毒、无刺激性环保电化学抛光技术.该技术大大降低了因使用有毒物质而发生中毒事故第31卷第1期2009年1月北京科技大学学报Journal of University of Science and Technology BeijingVol .31No .1Jan .2009的风险,并且无刺激性气味.1 实验1.1 材料实验所用钛合金材料均取自Ti-10V-2Fe-3Al 钛合金锻件(Ti-10V-2Fe-3Al钛合金主要成分见表1).将厚度为3mm的试片切割成10m m×10mm的正方形,与铜导线连接后,以环氧树脂封闭非工作面.试片依次以100#、180#、240#、360#、600#、800#和1000#SiC砂纸打磨,然后超声清洗除油,去离子水冲洗晾干备用.1.2 抛光工艺参数抛光溶液成分见表2.溶液的配制是依次向无水乙醇中加入乳酸、高氯酸和高氯酸钠,搅拌使其溶解均匀.实验中所用到的药品高氯酸、无水乙醇、乳酸和高氯酸钠均为分析纯.抛光采用直流电源恒电流模式,电流密度为20～30A·dm-2.实验装置为带搅拌装置的恒温水浴槽,抛光过程中的溶液温度为25～27℃,抛光过程中两极间距离在5～10m m 之间,搅拌速度为200～250r·min-1.抛光后的试片在酒精中超声波清洗,洗净后吹干储存.表1 TB6钛合金的化学成分(质量分数)Table1 C hemical composition of titanium alloy% Al V Fe C N Ti 2.6～3.49.0～11.01.6～2.20.050.05余量表2 电化学抛光电解液的成分T able2 Composition of the electrol y te无水乙醇(≥99.7%)乳酸(85.0%～90.0%)高氯酸(70.0%～72.0%)高氯酸钠NaClO4·H2O 600～800mL·L-1150～250m L·L-150～150mL·L-13～12g·L-12 结果与讨论2.1 高氯酸含量对基体表面腐蚀模式、表面形貌及腐蚀速率的影响采用该溶液以恒电流模式对钛合金进行抛光过程中,电压的变化基本上可以分为三个阶段(图1).第一阶段即抛光的初始阶段(见图1曲线a段),电压迅速上升到一个较高的值.在电压作用下钛合金试片与溶液中的高氯酸根离子发生反应,生成一层黏性腐蚀产物并覆盖在试片表面,这层产物的厚度随溶液中因高氯酸含量的不同而变化,在高氯酸含量较低的溶液中产物较薄,在高氯酸含量较高的溶液中产物则较厚.在这一阶段中溶液保持澄清.第二阶段(见图1曲线b段),电压达到最大值后随即开始下降(也有可能存在波动).出现这种情况是由于以下两种原因:(1)覆盖在试片表面的产物在高氯酸根离子的持续作用下已经开始出现缺陷,穿过缺陷处,高氯酸根离子在覆盖物与金属界面处与钛合金继续反应,钛合金继续溶解,这种情况一般发生在高氯酸含量较高的溶液中;(2)在搅拌的作用下表面黏性腐蚀产物脱落,暴露出新鲜表面,高氯酸含量较低的溶液则为这种情况.第三阶段(见图1曲线c 段)表面溶解、腐蚀在稳定地进行,电压平稳,不会产生明显的波动.在高氯酸体积分数分别为5%,10%和5%的溶液中以25A·dm-2的电流密度对三组Ti-10V-2Fe-3Al试片进行抛光.相同的电流密度下,在三种不同浓度的溶液中进行抛光,其电压随时间变化图1 恒电流模式下电化学抛学典型电势-时间曲线Fig.1 Typical poten tial-to-time cu rve of galvanostatic electropol-ishing基本上都符合图1所示的变化趋势.三个抛光过程仅在溶液变化方面表现出不同:对于高氯酸含量较低的溶液,由于产物易脱落,溶液会变得愈加浑浊、不透明;高氯酸含量较高的溶液产物基本上不脱落,或者偶然整体脱落,但不会使溶液变得浑浊.以肉眼观察抛光后的试片表面,可以发现试片表面有细微的差别:在低高氯酸含量的溶液(5%和10%)中抛光的试片表面要比高氯酸含量高的溶液(15%)中抛光的试片表面平整、光滑.显微照片(图2)也证明了这一点.从图2中可以看出,在数百微米的范围内试片表面表现出明显不同的表面形貌,在氯酸含量较高的情况下(图2(c))远比高氯酸含量低的情况(图2(a)、(b))下粗糙.可见,不同的高氯酸含量对抛光过程是有影响的,抛光后的试片表面会产生·69·第1期于 美等:钛合金的环保电化学抛光工艺不同的粗糙度,在较低的高氯酸含量的溶液中抛光会得到相对平整光滑的试片表面.图2 电化学抛光后的钛合金表面光学显微镜片.(a )高氯酸体积分数为5%;(b )高氯酸体积分数为10%;(c )高氯酸体积分数为15%Fig .2 Optical micrographs of the s u rface of electropolished titanium alloy :(a )polished in the solution of 5%perchloric acid ;(b )polished in the solution of 10%perchl oric acid ;(c )polished in the solution of 15%perch l oric acid 以失重法按照下式估计抛光过程中基体厚度和平均抛光速率随时间的变化.图3为抛光过程中的失重-时间曲线.图4为由下式计算出的抛光过程中近似腐蚀速率变化曲线.v =Δht=-Δm ρSt (1)式中,Δh 为抛光过程中试片的厚度变化,Δm 为试片的失重,ρ为钛合金的密度,S 为试片的抛光面积,t 为抛光时间.图3 不同高氯酸含量溶液中的电化学抛光失重-时间曲线Fig .3 Curves of w eight loss to time in the solutions w ith different concentrations of perchl oric acid从图3和图4可以看出,在相同的电流密度下随着抛光溶液中高氯酸含量的增加其腐蚀速率反而减小.这种现象可以作如下的解释:在抛光开始的短暂时间内,溶液中的氧化性物质首先在钛合金的表面与其发生反应生成一层黏性产物[10],溶液中的高氯酸含量不同,其表面生成的氧化物在试片表面覆盖的致密程度、与试片表面的结合力以及氧化物本身的缺陷面密度都不相同.高氯酸含量较高的溶液中初始阶段生成的覆盖物厚度较大,相对致密,缺陷较少,附着力也较大;该层物质的覆盖使得基体与溶液隔离开来,能够与之反应的有效物质浓度减小.因此与低高氯酸含量的溶液相比,高氯酸含量高的溶液中腐蚀速度较小;而且因为离子只有在特定区域(膜中缺陷、小孔)才能穿过覆盖物,基体表面的腐蚀也是不均匀的(粗糙度大,坑状溶解).图2(c )中的小坑就是这种腐蚀方式的结果.图4 不同高氯酸含量的溶液中的电化学抛光平均腐蚀速率曲线Fig .4 Cu rves of average corros ion rate to time in the solutions with different concentrations of perchloric acid从图3的曲线可以看出,在相同电流密度、不同高氯酸含量的溶液中进行抛光,Δm 随时间t 的变化(d Δm /d t )基本上符合线性函数关系,各不同溶液对应的曲线在纵轴上具有基本相同的截距,但是具有不同的变化系数.从这三条曲线具有不同的变化系数也可以推断不同高氯酸含量的溶液中会有不同的腐蚀模式.·70·北 京 科 技 大 学 学 报第31卷2.2 抛光电流密度对基体表面形貌及腐蚀速率的影响因为在高氯酸含量较低的溶液中进行抛光可以获得相对平整光滑的表面,因此固定溶液中高氯酸含量在5%不变,改变电流密度(20,25和30A ·dm -2)对钛合金进行抛光,研究在不同电流密度下的抛光腐蚀行为.从图5中的失重-时间曲线可以看出,抛光时所采用的电流密度越大,其失重速率即腐蚀速率越大.三种电流密度下的失重-时间曲线表现出相同的变化趋势,由式(1)计算出的抛光过程近似平均腐蚀速率(图6)也表现出大致相同的变化趋势,且三种电流密度对应的曲线近似平行.从图6中可以看出,在相同浓度、不同电流密度下,抛光时间大于6min 时,Δm 随时间t 的变化(d Δm /d t )也基本符合线性函数关系,而且具有几乎相同的变化系数,只是在纵轴上的截距不同,即在同一种溶液中尽管抛光过程中所采用的电流密度不同其腐蚀模式是相同的.结合不同高氯酸含量的溶液中的腐蚀模式即可得经验公式:Δm =a ·t +b (2)其中,a 与溶液中高氯酸含量具有一定的对应关系,b 与电流密度具有一定的对应关系.图5 不同电流密度下电化学抛光的失重-时间曲线Fig .5 Curves of w eight los s to time at different current densities图6 不同电流密度下电化学抛光的平均腐蚀速率曲线Fig .6 Curves of average corros ion rate to time at different cureent densities图7为在同一浓度溶液中分别以三组不同电流密度、不同抛光时间抛光的试样的光学显微镜照片.从图中可以看出:在抛光的初始阶段,较大的电流密度(30A ·dm -2)(如图7(c )所示)获得的抛光表面相对平整,但是随着抛光时间的延长(如图7(c ,f ,i )所示)试样表面平整程度变化不大;而低电流密度(20A ·dm -2)下虽然抛光初始阶段表面相对起伏较大(如图7(a )所示),但是随着抛光时间的延长(如图7(a ,d ,g )所示)试样表面越来越平整光滑.图8为不同电流密度、相同抛光时间的试样表面的原子显微照片.从三者的对比可以看出,在三种抛光电流密度中低电流密度(20A ·dm -2)下抛光的试样表面相对更加平整.2.3 抛光时间对基体表面形貌及抛光速率的影响从图7中的照片对比可以看出,随着时间的延长,试片的表面变得越来越光亮平坦,所以时间的延长有助于抛光.但是不能无限制延长抛光时间,因为抛光时间过长会使试样失重率过大,同时也增加渗氢的可能性.从图5和图6中的曲线变化趋势可以发现:(1)随着高氯酸含量的增大腐蚀速率(质量损失)减小;(2)随着抛光时间的延长平均腐蚀速率减小.很明显,提高高氯酸的含量,会使在基体表面生成的产物(覆盖物)的致密性提高,从而阻挡了反应离子(高氯酸根离子)向基体的穿透,造成基体-覆盖物界面处高氯酸根浓度的降低,进而降低其腐蚀速率.另一方面,随着抛光的进行和高氯酸根离子的消耗,金属基体-溶液界面处金属离子浓度升高,形成“盐膜”阻碍溶解的金属离子向液本体中扩散,且溶液本体中高氯酸根离子的浓度必然降低.这两个因素也导致腐蚀速率随时间降低.2.4 试片表面活性的验证抛光后的钛合金试片表面是否具有均匀一致的反应活性,要靠试片表面能否在后续的阳极氧化步骤中得到均匀一致的氧化膜来判断,因此本实验采用直接在抛光后的试片上进行阳极氧化的方式验证试片表面是否具有适于阳极氧化的反应活性.试片在脉冲电源恒电流模式下,以本实验室自行开发的阳极氧化配方进行氧化,得到的氧化膜的表面形貌和断面显微照片如图9所示.从形貌图中可以看出,钛合金表面的阳极氧化膜是一种沉积膜,存在着一些微米级的不规则小孔.从断面图中可以看出,在抛光后的钛合金表面的生长的阳极氧化膜(箭头所指部位)厚度比一般阳极氧化膜要厚,在20μm 左右,且厚度均匀.从氧化膜的厚度和均匀性来看,以·71·第1期于 美等:钛合金的环保电化学抛光工艺图7 不同电流密度下抛光不同时间的钛合金表面的光学显微镜照片.(a )20A ·dm -2,2min ;(b )25A ·dm -2,2min ;(c )30A ·dm -2,2min ;(d )20A ·dm -2,4min ;(e )25A ·dm -2,4min ;(f )30A ·dm -2,4min ;(g )20A ·dm-2,6min ;(h )25A ·dm -2,6min ;(i )30A ·dm -2,6minFig .7 Optical micrographs of the electropol is hed titanium alloy surface at different current densities for different polishing periods of time :(a )20A ·dm -2,2min ;(b )25A ·dm -2,2min ;(c )30A ·dm -2,2min ;(d )20A ·dm -2,4min ;(e )25A ·dm -2,4min ;(f )30A ·dm -2,4min ;(g )20A ·dm -2,6min ;(h )25A ·dm -2,6min ;(i )30A ·dm -2,6min图8 高氯酸体积分数为5%的溶液中、不同电流密度下抛光6min 后的钛合金表面的原子显微照片.(a )20A ·dm -2;(b )25A ·dm -2;(c )30A ·dm -2Fig .8 AFM micrographs of the titanium alloy surface after 6min electropolishing in the solution with 5%perchloric acid :(a )20A ·dm -2;(b )25A ·dm -2;(c )30A ·dm -2此种电解溶液抛光后的钛合金表面具有适于阳极氧化的反应活性.3 结论(1)由无水乙醇、乳酸、高氯酸和高氯酸盐组成的溶液可以对钛合金进行较好的抛光,而且抛光后的表面具有适于阳极氧化膜生长的化学活性.(2)在不同高氯酸含量、不同电流密度下对钛合金进行抛光,其失重与抛光时间具有近似线性函数关系.·72·北 京 科 技 大 学 学 报第31卷图9 阳极氧化后得到的氧化膜形貌(a)和截面厚度(b)显微照片Fig.9 M icrographs of the morphology(a)and cross section(b)of the anodic film depos ited on the electropolished titanium alloy surface (3)在三种不同高氯酸含量的溶液中对钛合金进行抛光,高氯酸含量(5%)较低的情况下可以获得相对平整光滑清洁的表面.(4)在相同高氯酸含量(5%)的溶液中对钛合金进行抛光,较低的电流密度(20A·dm-2)可以获得微观上更加平整的表面.参 考 文 献[1] Zhang L Y,Yang X J,Li C Y,et al.A Study of chemical polishingof pure titanium castings.Wes t C h ina J Stomatol,2002,20(6): 401(张连云,杨贤金,李长义,等.纯钛铸件化学抛光的实验研究.华西口腔医学杂志,2002,20(6):401)[2] Li Z,Xiao M C.Effects of different polishing methods on surfaceroughness of pure titanium castings.West China J S tomatol,2006,24(3):214(李哲,肖茂春.铸造纯钛抛光方法的研究.华西口腔医学杂志,2006,24(3):214)[3] Sun Z H,Liu Y H,Zhang X Y,et al.A review of electroplatingtechnology on titanium and titanium alloys.Cor r os Pr ot,2005,26(11):493(孙志华,刘佑厚,张晓云,等.钛及钛合金电镀工艺述评.腐蚀与防护,2005,26(11):493)[4] Chen C C,Chen J H,Chao C G.El ectrochemical characteristics ofsurface of titanium formed by electrolytic polishing and anodized.J Mater S ci,2005,40:4053[5] Phol M,Heβing C,Frenael J.Electrolytic processing of NiTishape memory al loys.Mater S ci Eng A,2004,378:191[6] American Society for Testing and M aterials.AS TM E1558-1599.Standard g uide for electr olytic polishing of metallo-graphic specimens.AS TM international,1999:3[7] Liu J H,W u H,Li S M,et al.Effect of surface treatments on gal-vanic corrosion behavior of titanium alloy TC2coupl ed with al u-minum alloys and steels.Corros Sci Prot Tech nol,2003,15(1): 13(刘建华,吴昊,李松梅,等.表面处理对TC2钛合金电偶腐蚀的影响.腐蚀科学与防护技术,2003,15(1):13)[8] Liu J H,S hang H B,Wu H,et al.Electrochemical characteristicsof titanium all oy inengine oil and NaCl solution.J Beijing Un ivAer onaut Astronaut,2004,30(10):998(刘建华,尚海波,吴昊,等.航空用油介质和NaCl溶液中钛合金的电化学特性.北京航空航天大学学报,2004,30(10):998) [9] Tao B W,Li S M,Liu J H,et al.Corrosion resistance of NiTiNbshape memory alloy as pipe coupling.Acta Metall S in,2006,42(1):99(陶斌武,李松梅,刘建华,等.NiTiNb形状记忆合金管接头的耐蚀性能.金属学报,2006,42(1):99)[10] M athieu J B,M athieu H J,Landolt D.Electropol ishing of titani-um in perchloric acid-acetic acid solution.J Electrochem Soc,1978(7):1044·73·第1期于 美等:钛合金的环保电化学抛光工艺。
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工
程
１９ ９
研 究表 明 ，抛光液配 方和 抛 光工 艺参 数一起 决定 了抛光 效果 ，抛光过 程 中化学和 机械作 用是 密不 可分
易清洗 。抛光液 技术配 方如下 ：ＳＯ 溶胶 纳米 磨料＋ ｉ２ 水溶 性鳌 合剂＋ 四羟 乙基 乙二胺 络合剂＋ 非离子表 面活
性 剂＋ 过氧化氢 ＋ 去离子 水（ 量） 余 。 当 ＳＯ 溶胶浓度 增大 时 ，机 械作 用增强 ，抛 光速率 随之增 加 。但 ＳＯ２ ｉ２ ｉ 溶胶 质量 分数过 高时 ，抛光 液 容易形成 胶冻 ，难 以流动 ，造成 管道 的堵塞 ， 且抛光 后 的零 件表 面划 痕较 多；ＳＯ 溶 胶质量 分数 很低 时 ， 并 ｉ２
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１８ 中 国工 程 物 理研 究院 科 技 年 报 ９
对 焊缝组 织和 力学性 能的影 响 。施 加磁场 后 ，焊 缝 区域 主要 存在 以下变化 ：柱状 品生长 方 向改变 、柱 状 晶 向等 轴晶转变 、组织更 加细化 、初 生相 与共 晶组 织 的形貌和 尺寸受 到影 响 、枝 晶臂间距缩 短 、熔 池 区 域化 学成 分不均 匀性减 少 。在 药 芯焊丝 堆焊成 各种 高硬度 高耐磨 堆焊金 属 时，通 过 电磁 力激烈 地搅 拌熔池
度 ，提 高焊接接 头冲击 功（ 均提 高约 ２ ％） 平 ０ ，接头 的弯 曲角普遍 增大 。
３１８ Ｔ — 合 金的化学机械抛 光实验研究 ．０ ａ ｗ
舒行军 何建 国 陶继 忠 戴晓静 刘玉岭
随着 技术 的发展 ，难 加工 金属 Nhomakorabea材料 使用 越来 越 多 。例 如 ，有一 Ｔ— 合金 圆薄 片零 件 ，其 厚度 小于 ａｗ ０５ｎｌ ．ｉ／，直径 与厚度之 比大 于 １０ ｑ ０ ，零件 的面形精 度和 表面粗 糙度要 求超 过 了常 规机械 加工所 能达 到的极
限 。为 此 ，将化 学机械抛 光 （ ｅ ｃ ｌ ｃ ａ ｉ ｌ ｏｉ ｉｇ ＭＰ 技 术作 为该类零 件最后 的精加 工手 段 ， Ｃｈｍｉ ｈ ｎｃ ｌ ｈｎ ，Ｃ ） ａ Ｍｅ ａＰ ｓ 进 行 了工艺实验研 究 。 实验 采用单 因素法 ，分 别研 究抛 光液 中不 同组分及 其含量 对抛 光结 果 的影 响 。实验对 象为 ￣ ０ｍ ０５ ５ ｍｘ ． ｍｍ 的 Ｔ ａ圆薄片 ，主要成 分 为 ｗ ，Ｔ ，Ｆ ａ ｅ元素 。Ｔ 、ｗ 均存在 一个塑 性一 ａ 脆性 转变温度 或一个 温度 区 间，
现 高速率 、低损伤 、高平整 、高选 择 、高光洁 ”的机 理模 型。 即利 用强 络合剂 ，使溶液 中 的金 属 阳离子迅 速转化 为极稳 定的络合 物 。提 高氧化速 率且 降低 金属氧 化物 需要 的氧化强 度 ，防 止金属 阳离子玷 污 ；利用 高浓度 磨料 ，提 高选择性 ，保证 平整度 ，降低 磨料 粒径 ；利 用高 活性物 质 的强渗 透 与低表 面张力 ，使表 面
击 碎粗大 的柱状 晶，细化焊 缝 晶粒 ，不 仅适 当提 高 了堆焊 金属 的硬度 ，还将 其磨损 量 降低 了 １ － ／，有效 ／ ２３ ２
改善 了熔 敷金属 的综合力 学性 能 ， 尤其是 抗裂 性能 。 管线钢 进行埋 弧焊 时 ， 对 施加磁 感应强 度为 ６ ￣ ０ｍＴ ０ ８ ， 频 率为 ８ ｚ的外 加磁场 ，抑制 了先 共析铁 素体和 侧板 条铁素 体 ， 晶 内针 状铁素 体 的比例 由 ８ ． Ｈ 使 ５１ ％提高 到 ９ ．％， 同时使焊 缝非金 属夹 杂物 的总数 和体积 分数 减少 ，组织进 一步 细化 ，将熔覆 金属 的低 温冲 击韧 １ ７ 性 由 １０Ｊ １ 提高 到 １４Ｊ ５ ，约提 高 ４ ％。 ０ 在 Ｈｅ ＴＧ 焊 接 ２ ４铝合 金 时，外加 磁场 可 以有 效细化 焊接 接头 的组织 ，减 小熔 合 区及 热影 响区 宽 —Ｉ Ａ１
一
般来说 ，其塑一 脆性 转变温 度 ｗ 高 于室温 ，Ｔ 在 室温 以下 ，故在 对 Ｔ 进行机 械加工和 化 学机 械抛 光时 ， ａ ａ
要 注意避 开这个温 度 区间 ，防止产 生脆性 裂纹 。实验采 用碱 性浆料 作 为抛 光剂 ， 目标 是高速 率 、高选择 、 低 损伤 、高平整及有 效控制 金 属离子玷 污 。为此确 定 了 “ 强络合 、弱氧 化 ，小粒径 、高浓度 ，高活 性 ；实
抛 光后 的飞片表 面形成 薄膜 ，光洁 度差 。较 佳 的 ＳＯ 溶胶质量 分数 在 ４ ％－ ５ ｉ２ ０ ￣ ％。其 次 ，随着抛 光液 中四 ６
羟 乙基 乙二胺质 量分数 的增加 ，抛光速 率增 大 ；达 到一定 质量分 数时 ，抛 光速率 反而 随四羟 乙基 乙二胺质
量分数 的增加 下降 ，这 主要是 由于 Ｈ２ 作为 两性氧化 物 ，在 碱 中呈酸 性 ，在一 定程 度上和 抛光液 发生 了 Ｏ２ 中和反应 ，破 坏 了有机碱 的络合 作用 ；中和 反应是放 热 反应 ，有机 碱在 放热产 生 的高温 下会 分解 ，从而使 抛 光液 失去作用 。在高温 下 ，Ｈ２ ２ 放 出 Ｏ２ Ｏ会 ，造成抛 光液 眭能不 稳定 ，降低 了抛光 液 的一 致性 。在研 究 不 同氧 化剂质量 分数对抛 光速 率 的影响 时 ，可 以发现 ，随着 Ｈ２ 的增 加 ，去 除速率 几乎 成线性增 加 。但 Ｏ２ 是 ，随 Ｈ２ ２ Ｏ 质量 分数 的增大 ，表 面状 态变差 。这是 由于 Ｈ２ ２ Ｏ 质量分 数增大 ，氧 化 作用加 强 ，若分 散不均 还 会造成 局部严 重腐蚀 ，Ｈ２ ２ 量分 数过 高时 ，氧 化作用 过于 严重 ，有橘皮 现象 出现 。 因此 ，虽然 Ｈ２ ２ Ｏ质 Ｏ 质量 分数 加大 ，抛光速 率会 上升 ，但 是化学 反应过 于激 烈 ，故应控 制氧化 剂 的含 量 ，或者 加入表 面活性 剂 ，