钛合金因具有密度小、比强度高、热稳定性好、高韧性、优良的耐腐蚀以及可焊接等优越的性能,使其广泛地应用于航空航天、舰船等重要的国防工业领域。但钛合金硬度低、耐磨损性能差,在磨损过程中易发生粘着、咬和[1],在一定程度上限制了钛合金的应用。对钛及钛合金进行适当的表面处理,能有效的提高其表面性能,消除或缓解上述缺点,使其应用更加广泛[2]。微弧氧化(MAO)是一项在铝、镁、钛等金属表面生长氧化物陶瓷膜的新技术[3,4,5,6,7,8,9]。它是通过电解液与相应电参数的组合,在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用,生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜。国内学者高广睿[1]等通过微弧氧化在TC4钛合金表面获得微弧氧化膜层,研究了膜层的耐磨性和耐蚀性,结果发现膜层的耐蚀性比基体提高了一个数量级,膜层的摩擦系数为0.39,大于基体的0.28,膜层的耐磨性能显著提高。

铝合金也广泛地应用于航空航天领域[10],铝合金微弧氧化膜的主要成分是的γ-Al2O3和α-Al2O3,表面硬度可达到2 000 HV以上,同时,γ-Al2O3相能保证微弧氧化膜自身的韧性,使得在进行摩擦磨损过程中保持较好的耐磨性能[11]。与TC4钛合金微弧氧化膜层相比,铝合金的微弧氧化膜层的硬度更高,耐磨性能更为优良。因此,为了提高钛合金微弧氧化膜层的硬度以及耐磨性能,本文以TC4钛合金为研究对象,对其在不同条件下进行多弧离子镀纯铝,然后,进行微弧氧化处理,分析在不同多弧离子镀铝工艺条件下,铝涂层对TC4微弧氧化膜层组织结构、耐蚀性和耐磨性能的影响。

本实验所用基体材料是尺寸17 mm×25 mm×2 mm的TC4钛合金。在多弧离子镀铝前,用800#-2000#的水性砂纸依次进行打磨,去除试样表面的毛刺和自然氧化膜,然后,进行抛光。将抛光好的试样放在酒精或丙酮溶剂中,用超声波仪器清洗,去除试样表面的油污。

钛合金表面多弧离子镀铝的设备由沈阳北宇真空有限公司制造的,型号为DM-3的多弧-溅射系统。多弧离子镀铝工艺参数为:试样与铝靶(纯度为99.99%)的距离为16 cm;Ar气的工作气压为1.4 Pa,电弧电流为50 A,偏压为-200 V、-300 V,占空比为15%,沉积温度为25℃、250℃,溅射时间为20 min。

采用MAO60H型微弧氧化设备,将经过多弧离子镀铝的4种样品在直流脉冲方式下进行微弧氧化处理。将溅射铝后的TC4样品作为阳极,不锈钢槽作为阴极。电解液为:8 g/L的Na2Si SO3·9H2O,5 g/L的(Na PO3)6以及0.5 g/L的Na OH。微弧氧化的工艺参数设置为:电流密度为6.12 A/dm2,时间为30min。微弧氧化后的样品用清水洗净后吹干。

采用XJP-6A型光学显微镜观察试样的的表面形貌并对其进行分析。

对镀铝层微弧氧化膜进行常温摩擦磨损试验,采用的设备为HT-1000摩擦磨损试验机,摩擦副用直径为6 mm的GCr15小钢球,试验载荷为265.8 N,磨损时间为10 min,膜层的磨损半径为3 mm,旋转速率为336 rpm,润滑条件为干摩擦。在实验结束后,采用XJP-6A光学显微镜测量磨痕的宽度和深度,然后,计算出磨损体积。

点滴实验,采用的溶液为:HCl(密度1.19)25 m L,重铬酸钾3 g,蒸馏水75 m L,实验温度为室温。

如图1所示,在不同偏压和温度TC4钛合金多弧离子镀铝后,再进行微弧氧化所制备的膜层光学显微形貌。从图1可以看出,4种偏压温度制备的微弧氧化膜层表面均较粗糙,且都有形状不规则、分布不均匀类似火山口的微孔,这些微孔一般认为是微弧氧化的放电通道,其形成的原因[12]在于当外加电压超过外层氧化膜的击穿电压后,薄膜出现局部放电。对比图1(a)与图1(c)或图1(b)与图1(d)可以看出,随着偏压的增大,膜层表面粗糙度逐渐减少,膜层孔径也在逐渐减小,可能是由于偏压的增大使得离子镀铝层的致密度得到改善,微弧氧化局部区域放电比较均匀。对比图1(a)与图1(b)或图1(c)与图1(d)可以看出,250℃下的微弧氧化膜层的微孔数量较少,微孔孔径更小,熔融、氧化物质较少。可能原因是在250℃条件下,离子镀铝层的沉积速率较快,镀层结晶较好。

如图2所示,不同条件下的微弧氧化膜的摩擦系数与摩擦时间关系曲线,磨损体积对比图,如图3所示。从图2可以看出,4种微弧氧化膜层的摩擦系数在0~0.5 min迅速上升,可能是由于在摩擦副刚刚接触试样表面时,试样在表面的粗糙度较大,使得摩擦阻力迅速上升,导致摩擦系数迅速提升。当偏压和温度分别为-200 V、250℃时,微弧氧化膜层的摩擦系数一直呈上升趋势,其平均摩擦系数较大约为0.96,这种变化趋势可能和微弧氧化膜层表面的粗糙程度及其氧化层有关,从图3b看出膜层的磨损体积也较大。在偏压和温度分别为-300 V、250℃时,微弧氧化膜层的摩擦系数呈现先增加后减少的趋势,最后趋于平稳,其平均摩擦系数较小,约为0.80,该曲线变化趋势可能原因是该膜层具有较高的硬度,膜层表面粗糙度小,摩擦产生的磨屑尺寸较均匀,填充到微弧氧化的微孔中,起到了很好的减磨作用,由图3d可知微弧氧化膜层的磨损体积较小,由此可见,偏压为-300 V时得到的微弧氧化膜层的摩擦系数较小,磨损体积也较小,摩擦性能更好。当温度偏压分别为25℃-300 V、250℃-300 V时,前者的摩擦系数波动较后者的大,可能是由于在摩擦过程中,微弧氧化膜的疏松层遭到破坏,并开始剥落,由图3可知,温度在250℃时磨损体积较小,可见,温度为250℃得到的微弧氧化膜层的摩擦系数波动较小,磨损体积较小,摩擦性能更好。在偏压温度为-300 V、250℃的摩擦性能最好。

不同偏压和不同温度离子镀铝条件下TC4微弧氧化膜耐点滴试验的结果,如图4所示,可以看出,温度分别为25℃、250℃,偏压分别为-200 V、-300 V的微弧氧化膜的变色时间依次分别是25.00 min、29.53 min、26.38 min、34.47 min。对比图4a与图4c,以及图4b和图4d可知,温度为25℃或250℃时,随着偏压的增加,膜层的耐蚀性增加,这与膜层表面致密度增加有关,如图1所示。在偏压和温度为分别为-300 V、250℃时,微弧氧化膜耐蚀性能最好。

(1)随着多弧离子镀铝的负偏压或温度的增大,微弧氧化膜表面的微孔数量逐渐减少,微孔的孔径也在逐渐减小,表面粗糙度降低。

(2)温度分别为25℃、250℃,偏压分别为-200V、-300 V的微弧氧化膜的平均摩擦系数依次分别为0.866、0.961、0.825、0.801,磨损体积分别为0.0668207 mm3、0.0616820 mm3、0.0593920 mm3、0.0421372 mm3,综合比较偏压和温度分别为-300 V、250℃的微弧氧化膜的耐磨性能最好。

(3)温度分别为25℃、250℃,偏压分别为-200V、-300V的微弧氧化膜的变色时间依次分别是25.00min、29.53min、26.38 min、34.47 min,偏压和温度分别为-300 V、250℃的微弧氧化膜的耐蚀性能最好。