钛合金阳极化工艺及膜层性能测试

第ｌ期吴筱兰李勇亭等：钛合金阳极化工艺及膜层性能测试

３．３钛合金阳极化膜层厚度

３．３．１彩色膜厚度

ＴＣＡ及ＴＢ６两组样品，每组的１＃一５＃试

样氧化膜为彩色氧化膜，氧化膜极薄，横截面

金相上无法辨别。通过上海交大材料学院利

用俄歇电子能谱仪测试分析，氧化膜仅１００

—２００ｎｍ。结果见图１。

３．３．２厚膜厚度

１＇Ｃ４—６样和ＴＢ６—６＃试样为阳极氧化的

厚膜，氧化膜横截面形貌如图２、图３所示。

试样厚度最厚可达１３ｕｒｎ，较薄处只有１ｕｍ。图１俄歇电子能谱测试Ｔｉｏ：膜厚结果

图２ＴＣＡ一６柿￡样截面金相图３ＴＢ６—６粕￡样截面金相

３．３．３氧化膜厚度分析

图１是俄歇电子能谱测试的氧及Ｔｉ含量固定的氧化膜厚度，氧化膜与基体之间还有一层过渡层，其厚度较大，厚薄波动也较大。ＴＣＡ试样过渡层厚度较ＴＢ６试样薄，在７５ｎｍ一１５０ｎｍ之间，ＴＢ６试样的过渡层较厚，在１７０ｎｍ～２７０ｒｉｍ之间。

３．４氧化膜表面形貌及分析

利用原子力显微镜观察阳极氧化试样表面形貌如图４一图１７所示。

图４ＴＣＡ试样彩色膜表面俯视及立体形貌

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洪都科技

图５ＴＢ６试样彩色膜表面俯视及立体形貌

图６ＴＣ４试样厚膜表面俯视及立体形貌。

图７ＴＢ６试样厚膜表面俯视及立体形貌

由以上图片不难发现，厚膜试样明显不同于彩色膜试样。彩色膜样品表面不平坦，由抛光基体表面起伏以及呈小峰状起伏构成，小峰柱排列比较均匀；厚膜试样表面生长的小峰柱要明显大于彩色膜样品表面生长的峰柱，俯视图中观察到不规则沟壑状形貌，立体图中可清晰看到相邻大块氧化物之间形成的深沟状形貌。这与横截面金相（图２、图３）观察结果一致，即：氧化膜呈不连续、堆聚状分布。

３．５氧化膜表面粗糙度分析

利用原子力显微镜配套的软件在同样的１００１山ｍ扫描范围内，做出两组样品的表面粗糙度比１８

第１期吴筱兰李勇亭等：钛合金阳极化工艺及膜层性能测试

较图（见图８）。从图可以看出，Ｔ８６一姊、

ＴＣ４—３＃、ＴＣ４—４＃、ＴＢ６—５＃这四个样

品的表面粗糙度基本相当，但表面的颜

色却分别为金黄色、玫瑰红、孔雀蓝、翠

绿色。因此，可以认为表面粗糙度不是

试样表面氧化膜呈色的主要原因。

３．６、氧化膜成分分析

俄歇电子能谱仪测试Ｔ８６、ＴＣ４二

组试样氧化膜成分～深度分布曲线，结图８两组样品Ｒａ比较图

果如图９、图１０所示。

图９彩色薄膜成分～深度分布曲线

图１０厚膜成分一深度分布曲线

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钛合金阳极化工艺及膜层性能测试

作者：吴筱兰， 李勇亭， 谢超英， Wu Xiaolan， Li Yongting， Xie Chaoying

作者单位：洪都航空工业集团,上海交大,上海,200240

刊名：

洪都科技

英文刊名：HONGDU SCIENCE AND TECHNOLOGY

年，卷(期)：2009，""(1)

被引用次数：0次

1.期刊论文殷英.邱望标.杨绿.YIN Ying.QIU Wang-biao.YANG Lü钛合金阳极氧化电解液配方与电源波形的选择-机械工程材料2005,29(12)

通过摩擦试验、耐腐蚀性等试验,讨论了钛合金阳极氧化着色中电源波形及阳极氧化着色电解液配方对着色膜性能的影响.结果表明:电源波形是钛合金阳极氧化着色过程的关键因素之一,选择脉冲直流电源可以获得较好的着色膜性能;适当加强钛合金阳极氧化过程中电解液对阳极氧化膜的溶解作用可以提高氧化膜的生成速度和氧化膜的性能.

2.学位论文李勇亭航空用钛合金阳极氧化工艺研究2005

为了适应钛及其合金在航空新产品中被广泛应用的发展趋势，防止和减轻钛合金与其它金属材料接触时所产生的接触腐蚀倾向，提高钛合金的抗蚀能力及其表面性能，本文选择了TC4、TB6、Ti-47121三种钛合金材料，采用了阳极氧化的表面改性处理方法，研究确定了钛合金阳极氧化工艺及参数

，并分析各工艺控制参数对成膜的影响；其次，以TB6钛合金材料为研究对象，通过盐雾腐蚀试验方法，对所选定的阳极氧化工艺配方及条件下生产的试样进行了抗接触腐蚀效果验证、对比实验；另外，初步探讨了钛合金阳极氧化过程的理论依据和氧化膜的组成与结构。

阳极氧化的工艺实验结果表明：经过筛选确定的中性磷酸铵钠盐电解液配方，在优化的工艺参数及控制条件下，所获得的钛合金表面氧化膜层与其基体金属有良好的结合力，均匀、致密，具有较好的完整性和性能；该工艺稳定性和操作可靠性好，能满足钛合金表面阳极氧化改性处理与工程化生产应用的要求；此外，采用中性盐配方能够克服酸性配方易使零件过腐蚀、氢脆的倾向。阳极氧化工艺条件对氧化膜的厚度(颜色)、质量及特性起着非常重要的作用。通过实验可知，在同一配方条件下，各工艺控制参数对成膜的影响程度不同，而关键的工艺参数是电压，其对膜层的影响最大，并且氧化膜的颜色(厚度)随着电压呈规律性变化，膜的颜色与膜层厚度有一一对应关系，可依据膜层颜色及变化作为控制钛合金阳极氧化工艺过程的手段。

选择以中性磷酸铵钠盐电解液配方工艺条件下进行阳极化处理的TB6(Ti-1023)钛合金材料试样(氧化膜为孔雀蓝色)与不同表面状态、不同牌号的合金钢和铝合金材料进行接触腐蚀对比实验。结果表明：阳极化Ti-1023钛合金与阳极化铝合金、磷化+涂灰漆合金钢之间几乎不发生接触腐蚀现象，这就为航空工程实际应用中钛合金与常用的铝合金、结构钢零件接触时会产生的严重接触腐蚀问题的解决提供了一个很好的方法和途径。在优化的阳极氧化工艺条件下，所获得的钛合金表面氧化膜具有优异的抗腐蚀性能，能有效地降低和消除与其它金属材料之间的接触腐蚀，阳极化钛合金可作为飞机结构设计及选材所用的连接材料。

通过接触腐蚀实验，对本课题所研究确定的钛合金阳极氧化工艺配方及工艺参数给予了有效性验证和评定。结果表明：所研究确定的钛合金阳极氧化工艺是行之有效的，能够克服钛合金的某些缺陷并赋予它新的性能，为航空工程化应用奠定了良好的基础。钛合金材料经过阳极化处理后，通过有关的试验表明，所获得得的氧化膜层改变了其表面的组成与结构，改变了材料表面的光洁度，使得钛合金耐腐蚀性得到提高。说明了金属材料的耐腐蚀性能与材料的表面成分和表面光洁度这两个因素密切相关，也证实了金属及其合金的抗腐蚀(氧化)性能一般主要取决于金属表面氧化膜的结构和特性的理论。

3.会议论文任东民钛合金阳极氧化工艺1998

该文叙述了钛合金阳极氧化工艺方法，通过对十三种槽液配方进行实验、筛选，获得了较好的工艺配方，并对在HDP槽液中钛合金阳极氧化的工艺参数进行了研究，最后提出了TC、钛合金在HDP槽液中采用交流电阳极氧化的新工艺。

4.会议论文任东民钛合金阳极氧化工艺1998

该文叙述了钛合金阳极氧化工艺方法，通过对十三种槽液配方进行实验、筛选，获得了较好的工艺配方，并对在HDP槽液中钛合金阳极氧化的工艺参数进行了研究，最后提出了TC、钛合金在HDP槽液中采用交流电阳极氧化的新工艺。

5.学位论文王一栋钛合金、镁合金新型阳极氧化及电镀工艺研究2007

本文就钛合金和镁合金的表面处理技术进行了研究，论文前部分（第二、三章）研究了钛合金的阳极氧化及电镀工艺；论文后部分（第四章）研究了镁合金的阳极氧化工艺。

钛及其合金作为21 世纪最重要的工程金属，以其优异的性能而被广泛用于航空航天、舰船、汽车、医疗、化工等行业。但钛合金不耐磨，与其它金属易产生接触腐蚀等问题限制了其应用范围。因此适当的表面处理以增强钛合金的耐蚀性、耐磨性及装饰性具有重要的现实意义。传统的钛合金表面处理技术有许多不足之处，例如，工艺复杂、成本高、电解液对环境不友好等。

本文针对目前钛合金表面处理存在的问题，研究并开发出钛合金新型表面处理工艺。研究工作主要包括以下两个方面：

1. 研究并开发了一种钛合金新型抑弧阳极氧化工艺。采用脉动电压阳极氧化技术，在钛合金表面可形成一层光滑致密，厚约2-10 μm，硬度为350-600 HV阳极氧化膜。研究了电解液组分、氧化电压等工艺参数对膜层厚度和硬度的影响。采用扫描电子显微镜（SEM）检测膜层微观形貌，采用电子能谱（EDS）和X 射线衍射（XRD）分析膜层元素组成和结构组成。研究表明：电解液组分、氧化电压对氧化过程和氧化膜性能会产生影响。膜层分析表明

：膜层主要还是由Ti 和O 元素组成，同时膜层表面还含有Ni 和P 元素；XRD 图谱除了有Ti 的衍射峰外还含有TiO2 晶态峰，可见膜层是由晶态和非晶态物质混合组成的氧化膜层。

2. 研究了一种钛合金表面直接电镀镍的新工艺。通过在瓦特镀镍液中添加金属络合剂和金属阳极活化溶解添加剂，对钛电极先采用阳极脉冲电流活化，再对活化后的钛电极进行阴极脉冲电流沉积，在钛合金表面获得了结合力优良的镍镀层。研究了电解液组分、工艺参数对镀层结合力的影响。

结果表明，当在硫酸镍电解液中添加40 g/L 阳极活化添加剂和采用1.4 A/dm2 阳极脉冲电流对钛合金进行电化学处理时，可使钛合金产生活性溶解，将脉冲电流切换为阴极电沉积后，便可在钛合金表面沉积一层结合力优良的镍镀层。文章讨论了脉冲阴、阳极平均电流密度，占空比，频率，电解液组分浓度等电解参数对镍镀层质量的影响，发现当硫酸镍为80 g/L、氯化镍为40 g/L、柠檬酸三钠为15 g/L、葡萄糖酸钠为12 g/L、硼酸为35 g/L、阳极活化添加剂为40 g/L；温度为60 ℃、pH 值为3.5 左右、频率f 为80 Hz、占空比为20 ％、阴极电流密度为1.4 A/dm2时所获得镍镀层的结合力最佳。 镁合金作为21 世纪“绿色”工程金属，除具有比重小、比强度和比刚度高、导热导电性能好等特点外，还兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能，已成为现代汽车、电子、通讯等行业的首选材料。本文在本课题组先行研究并开发的新型抑弧阳极氧化工艺基础上进行。该工艺采用脉动电压技术在较高的电压和电流密度下，对镁合金进行快速抑弧阳极氧化，在其表面形成一层光滑致密，具有较高硬度和优良耐蚀性的阳极氧化膜。针对新工艺在工业生产中遇到的问题，如：连接不锈钢阴极的铜棒产生腐蚀引入铜离子，以及生成的阳极氧化膜存在局部腐蚀点等，通过试验分析和工业现场生产实践，研究了镁合金阳极氧化电解液对杂质离子的抗干扰性，以及中试试验中各工艺因素对膜层性能的影响。

6.会议论文任东民钛合金阳极氧化工艺1997

该文叙述了钛合金阳极氧化工艺方法，通过对十三种槽液配方进行实验、筛选，获得了较好的工艺配方，并对在ＨＤＰ槽液中钛合金阳极氧化的工艺参数进行了研究，最后提出了ＴＣ、钛合金在ＨＤＰ槽液中采用交流电阳极氧化的新工艺。