处于高温状(zhuang)态(tai)时，金(jin)属(shu)材(cai)料(liao)表(biao)层能否生(sheng)成(cheng)均匀(yun)、致密、粘附(fu)性(xing)较好的氧化膜(mo)，是(shi)确(que)保(bao)材(cai)料(liao)寿(shou)命与使用性能(neng)的(de)关键。然而实(shi)际上，太(tai)过(guo)完(wan)美(mei)、极(ji)具保(bao)护性(xing)的氧(yang)化膜(mo)并(bing)不存在(zai)，氧化的时(shi)间(jian)越长，则氧(yang)化膜更(geng)容易(yi)发(fa)生(sheng)封(feng)锁错(cuo)位，引(yin)发应(ying)力，从(cong)而(er)便(bian)会剥离、裂开(kai)、剥落，以此失去对(dui)于(yu)基(ji)体(ti)材(cai)料的(de)保(bao)护[1]。Leyens等(deng)人通过(guo)于Ti-1100合(he)金上喷射(she)Ti-51Al-12Cr涂(tu)层(ceng)，得知750℃高(gao)温状(zhuang)态(tai)下，涂层表(biao)面(mian)Ti(Cr,Al)相和(he)O2相(xiang)互(hu)反应(ying)，从(cong)而生成(cheng)连(lian)续地Al2O3氧化(hua)膜，其可切实降(jiang)低(di)Ti-1100合金氧(yang)化(hua)程(cheng)度。Dearaaley在(zai)20世纪末(mo)通(tong)过研(yan)究(jiu)发(fa)现，在钛合金中(zhong)添(tian)加钇(yi)，可促使(shi)钛(tai)合(he)金(jin)氧化(hua)程度下(xia)降(jiang)，这主(zhu)要(yao)是(shi)由于(yu)高(gao)温下(xia)，钇(yi)元(yuan)素所生(sheng)成氧化物(wu)多数(shu)分散(san)于(yu)晶界(jie)内，以此(ci)降(jiang)低了(le)氧于(yu)晶界(jie)中(zhong)的(de)扩(kuo)散速率(lv)，改善(shan)了(le)钛合金(jin)抗氧(yang)化性(xing)能。魏(wei)东博通过双层辉光(guang)等离(li)子技(ji)术(shu)，于钛合金表层(ceng)制备(bei)了(le)Ti-Cr与Ti-CrNi涂(tu)层(ceng)，且深入(ru)探究(jiu)了(le)Ni含量对于(yu)抗(kang)氧(yang)化性(xing)能的影响(xiang)作用，结(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，Ti-Cr与(yu)Ti-CrNi合(he)金(jin)层的(de)厚度(du)大约在25~35Rm之(zhi)间，和基(ji)体的(de)冶金结(jie)合(he)较(jiao)好，不(bu)存在孔洞。处于(yu)650〜950°C时(shi)，合金(jin)层(ceng)的(de)Ni含(han)量为40%(at.)时，Ni与(yu)O相互(hu)反应生(sheng)成连续(xu)NiO膜(mo)，处(chu)于(yu)Cr2O3膜(mo)层(ceng)下方位置(zhi)，既可(ke)强(qiang)化(hua)氧化(hua)层(ceng)的(de)抗(kang)氧能力(li)，又可提(ti)高(gao)合金层(ceng)高温抗氧(yang)化能力(li)。宫(gong)雪等(deng)人通(tong)过电(dian)弧(hu)喷涂法(fa)，在(zai)纯钛材表面制(zhi)备了铝涂层，于(yu)800C下(xia)，持续氧化(hua)涂层64h,发(fa)现电(dian)弧喷涂(tu)Al涂(tu)层(ceng)表(biao)面生(sheng)成(cheng)连(lian)续致密(mi)Al2O3氧化(hua)膜，可切实降低(di)纯(chun)钛金属的氧化程度(du)[2]。基(ji)于(yu)以(yi)上(shang)研(yan)究结果，本(ben)文对(dui)体育(yu)器械用(yong)TC4钛(tai)合金(jin)的力(li)学(xue)性能(neng)与(yu)耐(nai)磨(mo)性(xing)能(neng)进行了(le)研(yan)究分(fen)析(xi)。
1、实验材(cai)料
选用体育(yu)器械(xie)用(yong)双(shuang)相(xiang)TC4钛合金加(jia)工件作(zuo)为(wei)基(ji)体(ti)，主(zhu)要(yao)成分(fen)包(bao)含(han)：5.87%的Al、4.04%的(de)V、0.22%的(de)Fe、0.10%的(de)O、0.07%的C、0.04%的(de)N、余(yu)量Ti；以(yi)900C/1h空冷+540C/5h空(kong)冷为(wei)热(re)处(chu)理(li)工(gong)艺(yi)；选(xuan)用市场购(gou)置的分析(xi)纯(chun)NaSiO3、67%(NaPO3)、99.8%NaOH、98%H2SO4。体(ti)育器械用TC4钛合(he)金通过(guo)蒸馏水进(jin)行清洗(xi)，于(yu)68℃的12g/L碳(tan)酸(suan)钠溶(rong)液(ye)中(zhong)浸泡2min进(jin)行(xing)除(chu)油，于(yu)频率(lv)60kHz下进(jin)行(xing)酒精(jing)超声(sheng)波清洗(xi)，5min之后(hou)吹干备(bei)用(yong)[3]。
2、样(yang)品(pin)制(zhi)备
2.1脉(mai)冲(chong)阳极氧化样(yang)品(pin)制(zhi)备(bei)
自制脉冲阳(yang)极(ji)氧化控制(zhi)电(dian)源与(yu)处(chu)理装(zhuang)置(zhi)［4］如(ru)图(tu)1所示(shi)图1中。
1-不锈(xiu)钢(gang)槽(cao)；2-温(wen)差(cha)电偶；3-搅(jiao)拌(ban)装置；4- 交(jiao)流电(dian)源；5-样品；6-冷却(que)系统(tong)；7-绝(jue)缘(yuan)板。以(yi)不(bu)锈钢为(wei)阴极，保(bao)持(chi)恒流(liu)模式(shi)，输入脉(mai)冲数(shu)为(wei)500,电(dian)解(jie)液(ye)配(pei)方(fang) 具体(ti)为18g/LNa2SiO3+8g/L(NaPO3)6+1.5g/LNaOH,脉冲(chong)阳(yang)极(ji)氧(yang)化频(pin)率(lv)为480Hz,终(zhong)止电(dian)压(ya)为(wei)300V,槽(cao)液冷(leng) 却(que)采(cai)用循环(huan)对流冷却(que)方(fang)式(shi)。脉(mai)冲(chong)阳极氧化(hua)时，体育(yu)器(qi)械用(yong)TC4钛合金表(biao)面(mian)存(cun)在(zai)稍许气泡(pao)。
2.2直(zhi)流(liu)阳(yang)极(ji)氧(yang)化(hua)样品(pin)制备
自制(zhi)直流(liu)阳(yang)极(ji)氧(yang)化(hua)处(chu)理(li)装置[5]如(ru)图2所示(shi)。
图2中，8-阳(yang)极；9-阴(yin)极(ji)。阳(yang)极为TC4钛(tai)合(he)金(jin)，阴(yin)极(ji)为(wei)不锈(xiu)钢，电极间距设定(ding)为(wei)2cm。通过(guo)直流电源(yuan)控制(zhi)外(wai)加(jia)电压(ya)，以180g/LH2SO4溶液(ye)为(wei)氧化(hua)液，以20℃为(wei)温度(du)控制(zhi)标准(zhun)，以1A/dm2为电流(liu)密度(du)。直流(liu)阳极氧(yang)化(hua)时(shi)，体(ti)育器(qi)械用TC4钛合(he)金(jin)表面(mian)存在(zai)气(qi)泡(pao)。以严(yan)格把(ba)控阳(yang)极氧(yang)化(hua)时间进行同等(deng)氧(yang)化(hua)膜厚(hou)度的(de)样(yang)品(pin)制(zhi)备(bei)，氧化结(jie)束(shu)之后(hou)，以(yi)清水清(qing)洗(xi)干净(jing)，并(bing)吹(chui)干(gan)备用。
3、测试(shi)方(fang)法(fa)
以(yi)粗糙(cao)度(du)测(ce)量仪测量TC4钛合金基(ji)体(ti)与氧化(hua)膜(mo)粗(cu)糙度(du)；以显(xian)微硬度计测量TC4钛合(he)金(jin)基体(ti)与氧(yang)化(hua)膜(mo)硬度(du)；以电脑(nao)伺服控制材料(liao)试验机(ji)测(ce)试室(shi)温拉伸性(xing)能；以高周疲劳试验机测试疲(pi)劳(lao)寿命，同时基于(yu)升降(jiang)算法测量(liang)疲劳(lao)强度(du)；以激(ji)光共(gong)聚焦显(xian)微镜观(guan)察(cha)磨(mo)损(sun)的磨(mo)痕(hen)宽(kuan)度与(yu)深度[6]。
4、结果分(fen)析(xi)
4.1硬度分(fen)析(xi)
TC4钛合金(jin)基体、脉(mai)冲阳(yang)极氧化(hua)膜(mo)、直流(liu)阳极(ji)氧化膜(mo)的粗(cu)糙度(du)与硬度(du)[7]具(ju)体(ti)见表1。
由表1可(ke)知，脉(mai)冲(chong)阳(yang)极(ji)氧(yang)化(hua)膜与(yu)直(zhi)流(liu)阳极(ji)氧化(hua)膜(mo)的(de)粗(cu)糙度明显大(da)于TC4钛(tai)合金基(ji)体(ti)；而脉冲阳极氧化膜(mo)的(de)硬度(du)最(zui)大，TC4钛合金次之，直(zhi)流阳(yang)极氧化(hua)膜最小(xiao)，这可能(neng)是(shi)由(you)于直流阳(yang)极氧(yang)化(hua)膜(mo)的膜层主要是疏松(song)层。
4.2拉伸性能分析
在(zai)室温(wen)状态(tai)下(xia)，体(ti)育(yu)器(qi)械用(yong)TC4钛(tai)加(jia)工(gong)件(jian)与(yu)阳(yang)极氧化样(yang)品的拉(la)伸性(xing)能[8]见(jian)表2。
由表2可以看(kan)岀，通(tong)过阳(yang)极氧化处理之(zhi)后(hou)，样品(pin)抗(kang)拉(la)强(qiang)度(du)、塑(su)性(xing)延(yan)伸强(qiang)度、断后伸长(zhang)率(lv)都(dou)有(you)所下降，而强(qiang)度下(xia)降的(de)关(guan)键(jian)在(zai)于样(yang)品(pin)表(biao)层(ceng)存在(zai)细(xi)微裂(lie)纹(wen)与孔洞(dong)等(deng)缺陷。相对于直流(liu)阳极(ji)氧(yang)化，脉(mai)冲(chong)阳极(ji)氧(yang)化对于(yu)TC4钛(tai)合金(jin)的室温(wen)拉伸性(xing)能(neng)造成(cheng)的影(ying)响(xiang)偏小(xiao)，主要(yao)是(shi)由(you)于(yu)相(xiang)对直流(liu)阳(yang)极氧(yang)化膜，脉冲(chong)阳(yang)极氧(yang)化膜所含(han)有的致密层更加(jia)厚(hou)实，并且(qie)基体(ti)表(biao)层损(sun)伤较小(xiao)，在(zai)拉(la)伸时，裂(lie)缝更(geng)加(jia)容(rong)易衍(yan)生(sheng)于(yu)直流(liu)阳(yang)极氧化样品表层(ceng)，从(cong)而(er)导致其室温(wen)拉(la)伸性能(neng)下(xia)降。
4.3疲劳性(xing)能分(fen)析(xi)
TC4钛(tai)合(he)金(jin)样品、脉(mai)冲阳极氧(yang)化样品、直(zhi)流(liu)阳(yang)极氧化(hua)样品的应力-疲(pi)劳寿命(S-N)曲(qu)线(xian)[9]具(ju)体如图3所(suo)示(shi)。
由图(tu)3可(ke)以看(kan)岀(chu)，脉冲阳极氧化样品(pin)S-N曲线与(yu)TC4钛合金样品高度类似(shi)，然而疲(pi)劳性(xing)能却相对偏(pian)低；直流阳极(ji)氧化样品(pin)S-N曲(qu)线(xian)呈现(xian)下(xia)降速度非(fei)常快的趋势(shi)，其疲(pi)劳(lao)性能最(zui)差(cha)。由三种(zhong)不(bu)同(tong)样品S-N曲(qu)线可(ke)知，TC4钛合(he)金的(de)疲劳(lao)强度控制(zhi)在640~-660MPa之间(jian)；脉(mai)冲(chong)阳极(ji)氧化的疲劳强度(du)控制在610~650MPa之间；直流阳极(ji)氧化(hua)样(yang)品(pin)在(zai)疲(pi)劳强(qiang)度(du)控制在440~470MPa之(zhi)间(jian)。通(tong)过(guo)升(sheng)降算(suan)法(fa)计(ji)算(suan)获(huo)得TC4钛合金样品、脉(mai)冲阳极(ji)氧(yang)化样品(pin)、直(zhi)流阳(yang)极氧(yang)化(hua)样(yang)品的疲劳强度分(fen)别具体为658、633、459MPa,由(you)此表(biao)明(ming)，脉(mai)冲阳极氧化样(yang)品(pin)疲劳强度更(geng)加(jia)接(jie)近(jin)于TC4钛合(he)金样(yang)品(pin)，并且(qie)相(xiang)对相(xiang)同氧化(hua)膜(mo)厚(hou)度(du)的直(zhi)流阳(yang)极(ji)氧化样(yang)品(pin)，强(qiang)度更大(da)。
4.4耐磨(mo)性(xing)分(fen)析
在(zai)不(bu)同(tong)载(zai)荷下，TC4钛(tai)合(he)金样品、脉冲(chong)阳极(ji)氧(yang)化(hua)样(yang)品、直(zhi)流阳(yang)极氧(yang)化(hua)样品表(biao)面(mian)都岀(chu)现(xian)了(le)一定的宽(kuan)度(du)与(yu)深(shen)度不(bu)同(tong)程(cheng)度的(de)磨(mo)痕，基于(yu)不(bu)同载荷的不同(tong)样品(pin)磨损(sun)的(de)磨痕(hen)深(shen)度(du)与(yu)宽度[10]见表(biao)3。
由(you)表3可(ke)知(zhi)，通过阳极氧化处理(li)之(zhi)后，于(yu)相同(tong)载荷条(tiao)件(jian)下(xia)，相(xiang)对于(yu)基(ji)体(ti)，样品表层(ceng)磨(mo)痕深(shen)度(du)与宽度(du)都(dou)明(ming)显较(jiao)小，这(zhe)表明表(biao)面处(chu)理(li)可(ke)显(xian)著提(ti)升(sheng)基体(ti)耐磨性；三(san)种(zhong)样品中，脉冲(chong)阳(yang)极氧(yang)化样(yang)品(pin)磨(mo)痕深(shen)度(du)与宽度(du)最(zui)小，则耐磨性最佳。就(jiu)脉(mai)冲阳(yang)极(ji)氧化(hua)样(yang)品(pin)来讲(jiang)，和基体(ti)相互(hu)衔接(jie)的过(guo)渡(du)层(ceng)相(xiang)对偏(pian)薄，大(da)约(yue)占(zhan)据(ju)氧化膜(mo)厚(hou)度三(san)分(fen)之(zhi)二(er)的(de)致密(mi)层(ceng)与(yu)占(zhan)据氧化(hua)膜厚度(du)三分之(zhi)一的疏松层(ceng)，和(he)基(ji)体之(zhi)间(jian)并(bing)未(wei)直接实现有(you)机(ji)结(jie)合，表(biao)面(mian)疏松层(ceng)的孔(kong)洞，以及(ji)受金属、氧(yang)化(hua)物热膨胀(zhang)系数(shu)不同影(ying)响生成(cheng)微裂痕，可有(you)效(xiao)提(ti)升(sheng)表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)，还可降低材(cai)料硬度(du)，然(ran)而因(yin)为(wei)内(nei)部(bu)过(guo)渡层(ceng)和基(ji)体的结合(he)较完善，并且(qie)紧邻致密层相(xiang)对(dui)厚实(shi)，脉冲(chong)阳极氧(yang)化(hua)膜的(de)硬(ying)度(du)、塑(su)性、耐磨(mo)性(xing)、抗疲劳(lao)性(xing)都比(bi)较(jiao)高(gao)。而(er)就(jiu)直(zhi)流阳(yang)极氧化(hua)样(yang)品(pin)而言，TC4钛(tai)合金(jin)基体在氧化时(shi)，会受(shou)硫(liu)酸槽(cao)液(ye)影(ying)响被(bei)侵(qin)蚀(shi)，从(cong)而于表(biao)面(mian)生成(cheng)孔洞(dong)与裂(lie)痕(hen)，并(bing)且(qie)氧(yang)化膜(mo)大多(duo)是多(duo)孔洞(dong)疏(shu)松(song)层，内(nei)应(ying)力比(bi)较(jiao)大(da)，易在(zai)受(shou)力时造(zao)成开(kai)裂(lie)，导致材(cai)料强度、耐(nai)磨性、抗疲劳性下(xia)降。
5、结(jie)论
综上所(suo)述(shu)，TC4钛合金以其耐腐(fu)蚀性(xing)、密度(du)小、比强(qiang)度高(gao)、韧(ren)性与焊接(jie)性良(liang)好等优(you)势(shi)，实现(xian)了在多种体(ti)育器(qi)械中的广泛应(ying)用(yong)，据此(ci)本(ben)文针对(dui)其(qi)力(li)学(xue)性能与(yu)耐(nai)磨性(xing)能进(jin)行(xing)了(le)实(shi)验研(yan)究。结(jie)果表(biao)明(ming)，TC4钛(tai)合金基体(ti)在(zai)经过脉冲(chong)阳极(ji)氧(yang)化与(yu)直流(liu)阳(yang)极氧(yang)化处理之后，所获得氧(yang)化(hua)膜的粗(cu)糙度(du)相(xiang)对于(yu)基体更(geng)大(da)，而脉(mai)冲(chong)阳(yang)极(ji)氧化膜的(de)硬(ying)度(du)最(zui)大，TC4钛合(he)金次(ci)之(zhi)，直(zhi)流(liu)阳极氧化膜最(zui)小；通(tong)过阳极氧化(hua)处(chu)理(li)之(zhi)后，样品(pin)抗(kang)拉强度、塑(su)性(xing)延伸(shen)强度(du)、断后伸(shen)长(zhang)率都有所(suo)下降(jiang)，而(er)强(qiang)度(du)下降的关(guan)键在(zai)于(yu)样品(pin)表(biao)层(ceng)存(cun)在(zai)细微(wei)裂(lie)纹(wen)与孔(kong)洞(dong)等(deng)缺(que)陷，相对(dui)于直流(liu)阳(yang)极(ji)氧(yang)化(hua)，脉(mai)冲阳极氧化对于(yu)TC4钛合(he)金的室温(wen)拉伸性(xing)能造成的(de)影(ying)响偏(pian)小脉(mai)冲阳(yang)极氧化(hua)样品疲劳(lao)强度更加接近(jin)于(yu)TC4钛合金(jin)样(yang)品(pin)，并且相(xiang)对相(xiang)同(tong)氧(yang)化膜(mo)厚(hou)度的直流阳极氧(yang)化样品，强度更(geng)大；通过(guo)阳极(ji)氧(yang)化(hua)处(chu)理(li)之后(hou)，于(yu)相(xiang)同载荷条(tiao)件(jian)下(xia)，相(xiang)对于基(ji)体(ti)，样(yang)品表(biao)层(ceng)磨痕(hen)深度(du)与宽(kuan)度都明显较(jiao)小，表明表(biao) 面处理(li)可显(xian)著提升(sheng)基体(ti)耐(nai)磨性。
参(can)考(kao)文献
[1]赵(zhao)兴旺(wang),刘艳(yan)梅，付和(he)国(guo)，等(deng).TC4薄(bao)壁钛合金(jin)激光对接接头组织(zhi)及(ji)力(li)学性能研究[J].真空(kong),2020,57(4):89-94.
[2]常川(chuan)川(chuan)，张田(tian)仓(cang)，李(li)菊，等(deng).高氧TC4/TC17钛(tai)合(he)金(jin)线性(xing)摩擦(ca)焊(han)接头组(zu)织(zhi)特(te)征及(ji)力学(xue)性(xing)能[J] .焊接(jie)学报,2019,40(12):109-114,120.
[3]钦兰云，何(he)晓(xiao)娣(di)，李(li)明(ming)东(dong)，等.退火(huo)处(chu)理对(dui)激(ji)光沉(chen)积(ji)制造TC4钛合金组(zu)织(zhi)及(ji)力(li)学性能影响[J] .材料(liao)工(gong)程,2020,48(2):148-155.
[4]贾勇，高峰(feng)，张华.TC4钛(tai)合(he)金体(ti)育(yu)器械(xie)的表(biao)面改性工(gong)艺(yi)研(yan)究(jiu)[J] .铸造(zao)技(ji)术(shu),2017,38(12):2858-2861.
[5]李(li)小妮(ni)，罗(luo)志(zhi)峰.阳极(ji)氧化对TC4钛(tai)合金力(li)学(xue)与(yu)耐磨(mo)性(xing)能的影响(xiang)[J] .电(dian)镀(du)与涂(tu)饰,2020,39(7):416-420.
[6]翁(weng)飞.钛(tai)合(he)金表面陶瓷强(qiang)化(hua)金(jin)属(shu)基复(fu)合激(ji)光(guang)熔(rong)覆层的微(wei)观组织与(yu)耐(nai)磨性(xing)能(neng)研(yan)究[D].济南(nan)：山(shan)东(dong)大(da)学,2017.
[7]宗学文，刘(liu)文杰(jie)，张(zhang)健(jian)，等.激光选区熔化与铸造成(cheng)形TC4钛(tai)合(he)金(jin)的力学(xue)性能(neng)分(fen)析[J].材(cai)料导报,2020,34(16):16083-16086.
[8]韩(han)杰(jie)阁.激(ji)光(guang)合金化制(zhi)备TC4钛合金(jin)抗(kang)高(gao)温(wen)氧化及耐磨复合涂层(ceng)性(xing)能研(yan)究[D].武(wu)汉(han)：华(hua)中科(ke)技大(da)学(xue),2017.
[9]张占(zhan)彪.热(re)氧(yang)化(hua)钛合金(jin)动态(tai)力(li)学性能研究[D].保(bao)定:河(he)北(bei)大学,2016.
[10]刘先朋.钛(tai)合(he)金(jin)表面(mian)铜(tong)铬合金(jin)层组(zu)织性(xing)能(neng)研究[D]太(tai)原(yuan)：太(tai)原理(li)工(gong)大学(xue),2015.
相(xiang)关链接(jie)
