Ti-6Al-4V 合金表面預處理研究

何蕾摘譯自《International Journal of Adhesion＆Adhesives》

近年來，復合材料以其優(yōu)異的結構強度和性能在新一代飛機上顯示出巨大的應用前景。然而，碳纖維復合材料在與金屬鋁接觸時易發(fā)生接觸腐蝕，并向金屬內部擴散。而金屬鈦表面可以迅速生成納米級氧化層，并且即使該氧化層受到破壞，在有氧或水的情況下又可以重新生成新的氧化層，從而避免在與碳纖維復合材料接觸時被腐蝕。由于復合材料具有較高的缺口敏感度，因此，碳纖維復合材料在與金屬基體接合時通常選用附著粘合的方法。為了提高鈦合金基體與碳纖維復合材料界面間的接合強度，研究對比了濕化學法和等離子體預處理法對Ti-6Al-4V 基體表面的預處理效果。首先選用堿性清洗劑P3-Almeco 18 在(70 ±3)℃下對尺寸為150 mm×150 mm×2.0 mm 的Ti-6Al-4V 合金試樣表面清洗15 min，然后用濃度為500 g/L 的Turco 5578 溶液在(95 ±3)℃下對試樣進行堿刻蝕處理，再對經(jīng)刻蝕后的試樣分別進行NaTESi 陽極化處理以及等離子體處理。陽極化處理選用三電極體系，以Ti-6Al-4V 合金作為陽極，電壓為10 V，處理時間為15 min，處理溫度為(30±2)℃，電解液成分為氫氧化鈉(300 g/L)、酒石酸鈉(65 g/L)、乙二胺四乙酸(30 g/L)、硅酸鈉(6 g/L)。等離子體處理以六甲基二硅醚(HMDSO)為前驅體在經(jīng)堿刻蝕處理后的Ti-6Al-4V合金試樣表面沉積SiOx層，其中基體溫度為200 ℃，工作距離為0.5 mm。SEM 觀察發(fā)現(xiàn)，僅經(jīng)Turco 5578 堿刻蝕處理后的試樣(試樣Turco 5578)表面形成了20 ～30 nm 厚的氧化膜，且表面存在大量粗糙區(qū)域;再經(jīng)大氣壓等離子體處理后(試樣Turco 5578 + HMDSO)，表面膜厚度達到了76 ～94 nm 且變得致密，有大量結節(jié)狀結構，無孔洞及缺陷;而經(jīng)NaTESi 陽極化處理后(試樣Turco 5578 +NaTESi)，氧化膜厚度則達到了540 ～660 nm 且呈納米多孔結構，孔徑在30 ～70 nm。XPS 分析以及氧化膜結合持久性測試結果表明，以HMDSO 為前驅體，通過大氣壓等離子技術，可以在Ti-6Al-4V 合金表面得到SiO2層，與試樣Turco 5578 相比，其表面微觀粗糙度更高，且結合持久性更好;而試樣Turco 5578 +NaTESi 的表面較試樣Turco 5578 + HMDSO 更加糙度，且結合持久性能最佳。雖然等離子體處理得到的試樣的接合持久性能與試樣Turco 5578 +NaTESi 有一定差距，但是等離子處理技術可以避免使用有毒有害化學品，是一種環(huán)境友好型表面處理技術。相信隨著等離子體處理工藝的優(yōu)化，試樣Turco 5578+HMDSO 的表面粗糙度及均勻性可以進一步得到提高，其結合持久性也可以更加優(yōu)異。