1引言
微弧氧化技術是指利用弧光放電在以鋁、鈦、鎂等金屬及其合金為材料的工件表面原位生成優質的強化陶瓷膜。這種方法制得的陶瓷膜具有高硬度、耐蝕、耐磨及抗高溫氧化等優良特性,膜層與金屬基體間的冶金結合可以承受較大的外力或載荷,在使用過程中不易發生剝落。由于這種技術在材料制備上工藝簡單,容易實現,所以引起越來越多的專家、學者的關注,成為國際材料科學研究的熱點之一。鈦合金作為一種新型的輕金屬材料,具有密度小、比強度高、耐腐蝕等優點,廣泛應用于航空航天、海洋工程、生物醫學、化學工業等領域。然而當工作溫度超過600℃,氧化將對鈦合金產生明顯的破壞作用。因此提高鈦合金的抗高溫氧化能力是亟待解決的重大課題。本文通過微弧氧化法在Ti26Al24V合金表面制備陶瓷膜層并討論了封孔后處理對微弧氧化陶瓷膜形貌和抗高溫氧性能的影響。
2實驗
實驗材料為Ti26Al24V合金,試樣尺寸10mm×20mm×0.8mm,合金表面用粗細砂紙打磨。采用自制的高功率雙脈沖MAO電源(10kW),在帶有循水冷卻的電解池中氧化處理試樣,Ti26Al24V合金為陽極,電解池由不銹鋼制成,兼做陰極。電流密度為4A/cm2,頻率為2000Hz,占空比為10%。電解質為鋁酸鹽水溶液(4g/L),次磷酸鈉水溶液(0.5g/L)。攪拌并循環水冷卻,溫度不高于25℃,反應時間為30min,膜厚約10μm。經MAO處理后,帶有涂層的試樣用水沖洗并烘干。鈦酸四丁酯和乙醇按體積比分別為1∶2、1∶1和2∶1配置而成,封孔的Na2SiO3溶液濃度為0.4g/mL。封孔裝置分別由圓底燒瓶、抽濾瓶和真空泵組裝而成,如圖1所示。封孔液和試樣放入圓底燒瓶中,密封減壓處理10min后,將試樣取出,在空氣風干備用。微弧氧化試樣在700℃下箱式爐中焙燒,冷卻至室溫后稱取重量。通過型SEM觀察各陶瓷膜表面形貌,稱重用精度為1025g的電子天平。
3結果與討論
3.1鈦酸四丁酯/乙醇法封孔
試樣表面形貌圖2是膜層試樣及不同配比封孔后試樣的表面形貌。(a)、(b)、(c)、(d)分別是膜層試樣及用鈦酸四丁酯和乙醇體積分別按1∶2(封孔試樣1)、1∶1(封孔試樣2)和2∶1(封孔試樣3)配比進行混合之后進行封孔的試樣。從圖中可以看到:(a)、(b)形貌相近,(b)試樣的封孔效果沒有體現的太明顯。(c)和(d)試樣表面被鈦酸四丁酯和乙醇所形成凝膠所覆蓋,凝膠自然干燥后出現裂紋,鈦酸四丁酯含量高的膜層試樣(d)表面龜裂現象嚴重。
3.2硅酸鈉溶液法封孔試樣表面形貌
圖2是采用硅酸鈉溶液封孔,封孔前后試樣的表面形貌。從圖中可看出經0.4g/mL硅酸鈉溶液封孔的試樣與未封孔的試樣相比孔洞幾乎被完全覆蓋。
3.3高溫氧化增重
表1是在700℃下膜層及其封孔試樣的高溫氧化增重圖表。其中(1)是未封孔的膜層試樣,(2)、(3)、(4)是鈦酸四丁酯和乙醇體積比分別為1∶1、1∶2和2∶1的混合液進行封孔的試樣。從氧化增重圖表中我們可以看到,未封孔和封孔的試樣在空氣中焙燒后,封孔液配比1∶1的高溫氧化增重,這說明封孔液的濃度是影響封孔效果的主要因素。在所用的試樣中未封孔的試樣增重量,說明其抗氧化性能相對,用該法封孔沒有達到預期效果,降低了抗氧化性能。考慮到開裂的膜層繼續稱量已無意義,封孔后效果又普遍較差,因此在45h后停止焙燒,不在量取數據。封孔大多有利于膜層的致密,但與抗高溫性能的提高沒有必然關系。圖3是膜層試樣及其經過0.4g/mL硅酸鈉溶液封孔后的試樣在700℃下的高溫氧化增重曲線。高溫氧化測試表明:硅酸鈉溶液封孔的試樣與未經封孔的試樣相比其氧化增重曲線要低,這說明經過硅酸鈉溶液封孔的試樣高溫氧化增重量有所降低,封孔不僅增加了膜層的致密性也提高了抗高溫氧化性能。
4結論
封孔后膜層孔洞明顯變小；鈦酸四丁酯/乙醇法封孔方法不僅沒有帶來抗高溫氧化性能的提高反而下降；硅酸鈉溶液法封孔方法提高了抗高溫氧化性能。