鈦合金微等離子體氧化陶瓷膜的結(jié)構(gòu)與耐腐蝕機(jī)制研究.pdf

1、本文通過(guò)微等離子體氧化(MPO)方法在Ti-6Al-4V鈦合金表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜，系統(tǒng)地研究陶瓷膜的相組成、微觀(guān)結(jié)構(gòu)及膜層耐腐蝕性能，并優(yōu)化耐蝕性陶瓷膜層制備工藝；分析基體在MPO過(guò)程中的溶解現(xiàn)象和電解液中離子濃度變化特點(diǎn)，探討電極表面陶瓷膜層生長(zhǎng)規(guī)律和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；研究膜層的等效電路、膜層結(jié)構(gòu)與耐腐蝕性能的關(guān)系，并對(duì)優(yōu)化工藝條件下制備的陶瓷膜層進(jìn)行進(jìn)一步的耐腐蝕性能測(cè)試和耐腐蝕機(jī)制研究。
　　利用X-射線(xiàn)衍射儀（XRD）、掃描電子顯

2、微鏡（SEM）、電子探針（EPMA）、能譜(EDS)和X射線(xiàn)熒光光譜儀（XRF）研究膜層的相組成、形貌和膜層內(nèi)元素分布特點(diǎn)；利用加速的電化學(xué)方法初步評(píng)價(jià)膜層試樣的耐腐蝕性能；通過(guò)電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)分析基體元素在電解質(zhì)溶液中的溶解和電解液中主要元素的變化特點(diǎn)；利用電化學(xué)阻抗譜（EIS）技術(shù)研究膜層電化學(xué)阻抗特性；由酸溶液中失重實(shí)驗(yàn)、接觸腐蝕實(shí)驗(yàn)、鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)和高溫氧化實(shí)驗(yàn)來(lái)考察膜層試樣的耐腐蝕性能。
　

3、　研究表明Ti-6Al-4V鈦合金在K2ZrF6電解液體系中MPO反應(yīng)時(shí)形成含有m-ZrO2、t-ZrO2和磷酸鋯鹽相的陶瓷膜。膜層內(nèi)鈦元素很少，鋯和磷元素很多。反應(yīng)時(shí)間增加，磷酸鋯鹽成為膜內(nèi)主晶相，膜層疏松、粗糙，截面裂紋較多。在NaAlO2溶液中微等離子體氧化鈦合金，可以形成含有Al2TiO5、α-Al2O3和rutile TiO2相陶瓷膜層，其中Al2TiO5為主晶相。膜層具有雙層結(jié)構(gòu)：外層疏松，而內(nèi)層致密、與基體結(jié)合很好。Ti元

4、素在膜層的含量比基體低，并且外層含量比內(nèi)層含量低。Al元素在膜層內(nèi)含量遠(yuǎn)高于基體含量，并且在膜層中間部位含量最高。
　　電參數(shù)的改變實(shí)際上改變了正負(fù)相脈沖的作用強(qiáng)度和作用時(shí)間，從而改變了膜層的相組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。正向脈沖作用增加，有助于膜層內(nèi)α-Al2O3含量增多、膜層增厚，但是膜層由于生長(zhǎng)過(guò)快而較粗糙、多孔。負(fù)相脈沖作用增加有助于膜層內(nèi)rutile TiO2含量增多，膜層厚度下降，更加致密，但是由于致密性的提高往往導(dǎo)致膜層表面的微

5、裂紋增多。反應(yīng)時(shí)間增加，膜層厚度增加，表面粗糙度不斷提高，晶相物質(zhì)含量不斷增多。鋁酸鹽體系制備的膜層結(jié)構(gòu)更致密，耐蝕性好于鋯酸鹽體系。
　　單脈沖MPO時(shí)，基體元素溶解的多少取決于電解質(zhì)溶液中陰離子在電極表面吸附而形成空間位阻的大小。雙相脈沖MPO過(guò)程有助于降低電極表面的空間位阻作用。陶瓷膜層的結(jié)構(gòu)和相組成與電解質(zhì)類(lèi)型、離子在電極表面的吸附能力和空間構(gòu)型有關(guān)。基體元素和電解液中元素對(duì)膜層的協(xié)同構(gòu)建可以提高膜層致密性和與基體的結(jié)合力

6、，從而改善膜層試樣的耐蝕性能。
　　在3.5％NaCl溶液中對(duì)陶瓷膜進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測(cè)量，建立了等效電路模型，進(jìn)一步證實(shí)了膜層的雙層結(jié)構(gòu)，解釋了陶瓷膜外層疏松和內(nèi)層致密的特點(diǎn)。膜層試樣的EIS譜圖反映了膜層/電解質(zhì)界面的電化學(xué)阻抗行為，與膜層的表面狀態(tài)和膜層的雙層結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。膜層試樣的耐腐蝕特性好于鈦合金基體試樣；并且可以利用等效電路的電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rt)對(duì)同類(lèi)膜層進(jìn)行耐腐蝕性能判定。
　　陶瓷膜層使鈦合金在21.6%鹽酸和