钛合金微弧氧化陶瓷膜的制备及结合强度研究

论文摘要

本文在硅酸盐-次磷酸盐电解液体系中,采用微弧氧化法在Ti-6Al-4V合金表面原位生长氧化物陶瓷膜,研究了电解液配方和工艺参数对陶瓷膜层组成、结构和抗热震性能的影响,优化陶瓷膜层制备工艺;分析了陶瓷膜层与基体的界面结合特点和影响界面结合的关键因素。利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线散射能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）及X射线光电子能谱仪（XPS）等测试技术研究了陶瓷膜的表面形貌和物相组成;利用热震实验研究了膜层的抗热震性能;利用垂直拉伸试验测试膜层与基体的结合强度。结果表明:微弧氧化法所制备的陶瓷膜的组成、结构与电解液的浓度、电源参数等条件有关。陶瓷膜主要由金红石型和锐态矿型TiO2以及大量非晶态的硅氧化合物,钛元素在膜层中以Ti4+存在。双相脉冲条件下陶瓷膜层厚度随硅酸钠浓度、负相电流、电源频率提高或延长氧化时间而增加。随着正相电流提高,膜层中的锐钛矿型和金红石相TiO2同时增加,随着负相电流的增加,金红石相先减小后增加。膜层表面硅元素的含量随着硅酸钠浓度、电源频率和反应时间增加而增多,钛元素含量与之相反。单相脉冲比双相脉冲制备的膜层厚度薄,膜层中的金红石相随电流密度的增加而增加,膜层表面硅元素和钛元素含量变化特点与双相脉冲膜层一致。双相脉冲条件下膜层的抗热震性能明显好于单相,膜层的抗热震性能与电解液浓度、负相电流、电源频率、反应时间密切相关。利用热震实验和膜层结构特点优化双相脉冲条件下陶瓷膜层制备工艺:硅酸钠40g/L,次磷酸钠0.5 g/L,电源频率3000Hz,输出电流Ia=Ic=9A,反应时间为30min。陶瓷膜与基体在界面相互咬合,凹凸起伏,结合十分紧密,具有冶金结合的特征。陶瓷膜层与基体的结合强度与膜层的制备工艺条件有关,单相脉冲比双相脉冲制备的陶瓷膜结合强度低,适当的负相电流有助于提高膜层/基体界面结合强度,但是负相电流密度过大会降低界面结合强度。优化工艺条件下所制备的陶瓷膜层结合强度最大,其数值大于26.84MPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 钛合金性能与应用
• 1.2.1 钛合金的性能
• 1.2.2 钛合金的应用
• 1.3 钛合金的表面改性
• 1.3.1 激光表面处理
• 1.3.2 涂敷—烧结法
• 1.3.3 表面喷涂技术
• 1.3.4 采用微弧氧化技术的优势
• 1.4 钛合金微弧氧化技术
• 1.4.1 微弧氧化电解液
• 1.4.2 微弧氧化电源
• 1.4.3 钛合金微弧氧化技术研究现状
• 1.5 金属基体/陶瓷膜界面研究现状
• 1.5.1 膜/基界面结合形式
• 1.5.2 膜/基界面结合强度的影响因素
• 1.5.3 改善膜层/基体之间结合强度的有效途径
• 1.5.4 钛合金微弧氧化陶瓷膜界面研究现状
• 1.6 本课题主要研究内容
• 第2章 实验材料及方法
• 2.1 实验材料及化学药品
• 2.2 实验装置与工艺
• 2.2.1 微弧氧化实验装置
• 2.2.2 微弧氧化电源
• 2.2.3 试样的准备
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 膜层厚度的测试方法
• 2.3.2 拉伸试验
• 2.3.3 膜层热震实验
• 2.4 微弧氧化膜组织结构研究方法
• 2.4.1 陶瓷膜形貌、结构分析
• 2.4.2 陶瓷膜相组成分析
• 2.4.3 陶瓷膜成分分析
• 2.4.4 陶瓷膜层表面元素分析
• 第3章 钛合金微弧氧化陶瓷膜层结构与抗热震性能
• 3.1 陶瓷层制备及电解液体系的确定
• 3.2 双相脉冲条件下陶瓷膜层的结构与热震性能
• 3.2.1 电解液浓度对陶瓷膜层组成和结构的影响
• 3.2.2 电流对陶瓷膜层组成和结构的影响
• 3.2.3 电源频率对陶瓷膜层组成和结构的影响
• 3.2.4 处理时间对陶瓷膜层组成和结构的影响
• 3.2.5 工艺参数对陶瓷膜层的抗热震性的影响
• 3.2.6 添加剂对陶瓷膜层抗热震性能的影响
• 3.3 单相脉冲条件下陶瓷膜层的结构与热震性能
• 3.3.1 电流密度对陶瓷膜层组成和结构的影响
• 3.3.2 电源频率对陶瓷膜层组成和结构的影响
• 3.3.3 处理时间对陶瓷膜层组成和结构的影响
• 3.3.4 工艺参数对陶瓷膜层的抗热震性的影响
• 3.3.5 两种脉冲方式比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 陶瓷膜界面结合强度评价及结合特点分析
• 4.1 陶瓷膜层与基体界面结合强度评价
• 4.1.1 热震试验
• 4.1.2 垂直拉伸试验
• 4.2 元素价态对陶瓷膜层/基体界面特点的影响
• 4.2.1 膜层内元素含量XPS分析
• 4.2.2 膜层内元素价态XPS分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢