礼洁冰，赵 晖，王晓辉，朱其柱

(沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110159)

钛合金具有强度高、密度低、耐蚀及中温性能稳定等特性，广泛应用于航天、航空、化工及生物医疗领域。由于硬度低，抗磨减摩性能差，限制了其应用，因此，利用表面改性技术改善钛合金的摩擦学性能倍受关注［1］，对钛及其合金材料的表面处理研究显得十分重要。

微弧氧化(MAO)又称微等离子体氧化或阳极火花沉积，是近年兴起的一种在Ti、A1、Mg等有色金属表面原位生长氧化物陶瓷膜层的表面处理新技术［2－5］，是国际研究的热点。本文在恒压模式下研究微弧氧化电参数:电压、脉宽、脉间对陶瓷膜表面形貌、厚度、粗糙度的影响。

1 试验

试验材料为TC4合金，其成分如表1所示。

表1 TC4钛合金的成分 wt%

试样规格为60mm×30mm×3mm标准长方体块，均经240#～1200#水磨砂纸逐次打磨、抛光、自来水漂洗、丙酮擦洗处理。电解液的主要成分为碳酸钠、硅酸钠、甘油，以去离子水配制，处理过程中通过循环水冷却。采用双极脉冲微弧氧化装置对试样进行表面陶瓷化处理，在微弧氧化阶段采用恒压模式进行微弧氧化，实验参数如表2所示。

表2 微弧氧化工艺参数

微弧氧化处理后，从电解液中取出试样，经水洗、干燥后采用 S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)观察膜层的表面形貌。TT230数字覆盖层测厚仪测量膜层厚度，利用北京市时代机电新技术公司生产的RM-20袖珍式表面粗糙度仪检测膜层的粗糙度。

2 结果与讨论

2.1 电参数对陶瓷膜表面形貌的影响

图1a、1b是TC4合金在相同的脉宽脉间、不同的正向电压参数作用下微弧氧化处理10min的表面形貌。由图1a可看出，当电压较低时，膜层表面的颗粒较小，微孔的孔径也较小且较均匀;由图1b可看出，当电压较大时，膜层表面的颗粒变大，微孔的孔径也增大。随电压的增大，微弧氧化表面微孔孔径增大，微孔数量减少。在相同时间内，电压越大，微弧火花放电密度越小，放电程度越剧烈，放电能量越大，放电微孔的孔径也变大。从而，在微弧氧化过程中，从微孔中向外喷射的熔融物会更多。由图1b、1c可看出，在电参数脉宽和电压恒定的条件下，随着脉间的增大，陶瓷膜表面微孔数量减少，孔径变化不大。脉间增大，作用在陶瓷膜上的平均脉冲时间缩短，导致击穿陶瓷膜的孔洞随之减少。由于脉宽没有变化，击穿的能量也没有变化，所以孔径的大小变化不大。由图1c、1d可看出，在电参数脉间和电压恒定的条件下，随着脉宽的增加，陶瓷膜表面微孔孔径开始减小，陶瓷膜致密性增强。脉宽影响单个脉冲的放电能量。脉宽越大，微弧火花放电程度越剧烈，在陶瓷膜上产生的能量也越大。在微弧氧化后期，陶瓷膜表面被大量熔融物质覆盖，微孔数量减少，火花放电的密度降低，击穿孔洞的能量降低，陶瓷膜层微孔孔径减小。

图1 不同电参数下陶瓷膜的表面形貌

2.2 电参数对陶瓷膜厚度的影响

图2是钛合金在不同电参数下微弧氧化处理10min后氧化陶瓷膜厚度随电参数的变化曲线。

图2 不同电参数与陶瓷膜厚度的关系曲线

从图2可看出，正向电压的增大，相当于作用在陶瓷膜上的能量增大，使微弧氧化反应的驱动力增大，陶瓷膜厚度增长;增加脉宽，即增大单个脉冲的放电能量，相当于作用在陶瓷膜上的能量增大，喷出的熔融氧化物增多，陶瓷膜的厚度也迅速增长;增加脉间，作用在陶瓷膜上的脉冲时间会缩短，微弧氧化过程中参与反应的物质减少，陶瓷膜厚度减小。故降低正向电压，降低脉宽，增加脉间有利于得到较薄的微弧氧化陶瓷膜。

2.3 电参数对陶瓷膜粗糙度的影响

图3是钛合金在不同电参数下微弧氧化处理10min后氧化陶瓷膜粗糙度随电参数的变化曲线。

图3 不同电参数与陶瓷膜粗糙度的关系曲线

从图3可看出，提高正向电压，放电能量增大，膜层变厚，同时粗糙度也变大;增加脉宽，增大单个脉冲的放电能量使作用在陶瓷膜上的能量增大，喷出的熔融氧化物增多，因而陶瓷膜的粗糙度也增大;增加脉间，作用在陶瓷膜上脉冲时间减少，形成的孔洞较少，进入孔洞参加反应的电解质也随之减少，因而膜层较为致密，粗糙度值下降。故降低正向电压、降低脉宽、增加脉间有利于陶瓷膜粗糙度的减小。

3 结论

1)电压恒定时，随着脉宽、脉间的增大，陶瓷膜表面微孔数目减少，致密性增强;

2)降低正向电压，降低脉宽，增加脉间有利于得到较薄的钛合金微弧氧化陶瓷膜;

3)降低正向电压，降低脉宽，增加脉间有利于钛合金微弧氧化陶瓷膜的粗糙度减小。

［1］Clearfield H M，Evans A G，Hutchision J W，et al.Surface Preparation of Metals，In:Engineered Materials Handbook［M］.Metals Park，OH:American Society for Metals，1982.

［2］Yerokhin A L，Nie X，Leyland A，et a1.Plasma electrolysis for surface engineering［J］.Surface and Coatings Technology，1999，122(2):73－93.

［3］薛文斌，邓志威，张通和，等.铸造镁合金微弧氧化机理［J］.稀有金属材料与工程，1999，28(6):353－356.

［4］于凤荣，吴汉华，龙北玉，等.处理液浓度对铝合金微弧氧化陶瓷膜成膜速率和硬度的影响［J］.吉林大学学报 (理学版)，2005，43(6):825 －829.

［5］王双，郭锋，刘亮，等.微弧氧化工艺对锆合金表面陶瓷层厚度和形貌的影响［J］.稀有金属材料与工程，2008，37(8):1466－1470.