鈦合金堿性陽極氧化工藝參數(shù)的研究

曲春艷，李奇琳，王德志，毛勇，宿凱，王海民

（黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院，黑龍江哈爾濱 150040）

鈦合金堿性陽極氧化工藝參數(shù)的研究

曲春艷，李奇琳，王德志，毛勇，宿凱，王海民

（黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院，黑龍江哈爾濱 150040）

鈦合金表面處理對膠接件性能有顯著的影響。通過正交試驗考察了槽液溫度、恒定電壓、處理時間和陰陽電極板距離對鈦合金膠接前表面處理效果的影響，并優(yōu)化了實驗工藝參數(shù)。試驗結(jié)果表明，槽液溫度對處理效果的影響最顯著，其余三個因素次之。在最佳工藝條件下制備的鈦合金膠接件獲得了良好的性能。

鈦合金；堿性陽極化；正交實驗法；工藝參數(shù)優(yōu)化

前言

鈦合金具有比強度高，抗腐蝕性能強，耐高溫性能好，特別是與碳纖維復(fù)合材料有良好的電化學(xué)相容性和相近的熱膨脹系數(shù)等特點，使得鈦合金與鈦合金、鈦合金與復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。而被粘材料的表面性質(zhì)對膠接接頭的強度及耐久性至關(guān)重要，因此被粘材料表面處理的研究對膠接接頭的應(yīng)用尤為重要[2]。

鈦合金的粘接前表面處理方法有機械方法、化學(xué)方法、電化學(xué)方法等30多種[3]。電化學(xué)方法處理的鈦合金表面具有較好的膠接強度，尤其是膠接試驗件的耐久性能較好。本文通過正交實驗法，對鈦合金堿性陽極氧化工藝參數(shù)進行優(yōu)化，從而得出最佳的鈦合金堿性陽極氧化的工藝參數(shù)。

1 實驗

1.1 實驗材料

本實驗所用的鈦合金材料：Ti-6Al-4V，尺寸：25mm×100mm×2mm。所用的膠膜為黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院研制生產(chǎn)的J-271環(huán)氧膠膜。氫氧化鈉（NaOH），分析純，北京益利精細化學(xué)試劑廠；酒石酸鈉（Na2C4H4O6·2H2O），分析純，天津市雙船化學(xué)試劑廠；乙二胺四乙酸（EDTA），分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；硅酸鈉（Na2SiO3），分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。堿性陽極化法槽液的組分[4]如表1所示。

表1 陽極化槽液的組分Table 1The compositions of anodizing bath solution

1.2 正交試驗設(shè)計

選用L9（34）正交表來安排試驗。正交試驗的因素水平如表2所示。表中：A是陽極氧化槽液的溫度；B是陽極氧化反應(yīng)的恒定電壓；C是陽極氧化處理的時間；D是陽極氧化陰陽電極板的距離。

表2 正交設(shè)計的因素和水平Table 2Factors and levels of orthogonal design

1.3 試樣的表面處理

（1）試件首先用砂紙打磨，去除大部分的殘膠和其他污物；然后噴砂至均勻，增加宏觀表面粗糙度。

（2）在80℃的NaOH水溶液中浸泡10min，進行脫脂處理。

（3）室溫下用HF-HNO3混酸溶液浸泡5min，去除試樣表面不均勻的薄的氧化膜。

（4）陽極化，槽液的配方如表1所示，在相應(yīng)的條件下處理，然后用清水沖洗凈，自然干燥。

1.4 試樣的制備和測試

試樣按GB7124-86的規(guī)定制出，經(jīng)表面處理后用膠膜進行膠接，膠接面施加0.3MPa的壓力，在178℃條件下固化90min。利用Instron公司力學(xué)試驗機分別測試試驗件常溫和濕熱老化后的剪切強度，濕熱老化的條件為71℃，RH90%，老化時間為1000h。

2 結(jié)果與討論

正交試驗的結(jié)果如表3、表4和圖1所示。表中：Ai、Bi、Ci和Di分別表示水平為i時的因素；橫坐標(biāo)為K1、縱坐標(biāo)為A的數(shù)據(jù)表示因素為A、水平為1的試驗結(jié)果的總和；橫坐標(biāo)為k1、縱坐標(biāo)為A的數(shù)據(jù)表示因素為A、水平為1的試驗結(jié)果的平均值；極差R為|ki-kj|（i，j=1，2，3）的最大值，其他數(shù)據(jù)依此類推。

圖1 各因素對膠接性能的影響Fig.1The effects of each factor on bonding performances

由表3和表4可以看出，各因素對兩個參考力學(xué)性能的影響并不完全一致。初始剪切強度方面，陽極氧化槽液的溫度對結(jié)果的影響最顯著，各因素按影響大小排序依次為陽極氧化槽液的溫度>陽極氧化陰陽電極板的距離>陽極氧化處理的時間>陽極氧化反應(yīng)的恒定電壓。耐濕熱老化方面，對結(jié)果影響最顯著也是陽極氧化槽液的溫度，各因素按影響大小排序依次為陽極氧化槽液的溫度>陽極氧化處理的時間>陽極氧化反應(yīng)的恒定電壓>陽極氧化陰陽電極板的距離。

表3 以初始剪切強度表征的正交試驗結(jié)果Table 3The orthogonal experiment results characterized by the initial shear strength

表4 以強度保留率表征的正交試驗結(jié)果Table 4The orthogonal experiment results characterized by the strength retention rate

槽液的溫度直接影響槽液的反應(yīng)活性，對鈦合金表面處理效果有顯著影響。當(dāng)溫度較低時，槽液的反應(yīng)活性也較低，僅能在鈦合金表面形成一層薄薄的、平整的氧化膜，不利于膠接；隨著溫度的升高，槽液的反應(yīng)活性也隨著提高，此時鈦合金表面能形成厚度適中的多孔狀氧化膜，這不僅能增加膠接面積和機械咬合作用，還能有效地阻擋水汽通過界面擴散腐蝕膠接件[5]；溫度進一步升高，槽液的反應(yīng)的活性達到較高水平，新形成的氧化膜還沒進一步鞏固，已被槽液溶解，得不到優(yōu)質(zhì)的氧化膜。因此鈦合金表面處理的效果是隨著溫度的升高，先提高后降低。而電壓、處理時間和陰陽極距離三因素均對結(jié)果造成不同程度的影響，但不如槽液的溫度顯著。

綜上對兩個參考性能分析，得出較好的兩組工藝因素條件應(yīng)為A2B2C1D2和A2B2C2D3。根據(jù)正交試驗結(jié)果選擇較佳水平組合進行實驗驗證，驗證實驗設(shè)計及實驗結(jié)果如表5和表6所示。從表中可以看出，1號和2號都取得較好膠接性能，1號的初始強度略高于2號，而耐濕熱老化性能不如2號。從應(yīng)用的角度出發(fā)，我們更傾向于選擇耐濕熱老化性能較好的2號作為最優(yōu)的實驗條件，即采用槽液的溫度為25℃，恒定電壓為10V，處理時間為20min，陰陽電極板的距離為15cm。

表5 驗證實驗設(shè)計Table 5The confirmatory test design

表6 驗證實驗結(jié)果Table 6The results of confirmatory test

3 結(jié)論

陽極氧化槽液的溫度、陽極氧化反應(yīng)的恒定電壓、陽極氧化反應(yīng)進行的時間和陽極氧化陰陽電極板的距離四個因素均對鈦合金膠接前表面處理效果產(chǎn)生影響，其中陽極氧化槽液的溫度的影響最為顯著，處理的效果會隨著溫度的升高，先提高后降低。通過正交試驗優(yōu)化，得到最佳工藝參數(shù)為：槽液的溫度為25℃，恒定電壓為10V，處理時間為20min，陰陽電極板的距離為15cm，制得的鈦合金表面具有良好的膠接性能。

［1］張招賢．鈦電極工學(xué)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2003:6～7．

［2］曲春艷，李琳，王德志．鈦合金膠接表面處理研究［J］．材料工程，2010，12：82～85．

［3］徐修成，王曉蔚，李虎，等．堿性陽極化處理對鈦合金/環(huán)氧膠接接頭耐久性的影響［J］．航空工藝技術(shù)，1996，7（20）：8～11．

［4］王嘉陵．鈦合金粘接件表面技術(shù)研究［J］．粘接，2005，26（1）：24～25．

［5］劉曉輝，張廣艷，王鈾．影響膠接表面特性的諸因素分析［J］．化學(xué)與黏合，1997，04：224～226．

Study on Surface Alkaline Anodic Treatment Parameters for Titanium Alloy

QU Chun-yan,LI Qi-lin,WANG De-zhi,MAO Yong,SU Kai and WANG Hai-min．

（Institute of Petrochemistry,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150040,China）

The surface treatment for titanium alloy has significant influence on adhesive mechanical properties．The effects of bath temperature, constant voltage,treatment time and distance of electrodes are investigated by orthogonal experiments,and the technological parameters for this experiment are optimized．The results show that the treatment effect depended much upon the bath temperature and the other three factors take second place．The titanium alloy adhesive joints made under the optimum conditions will obtain good performances．

Titanium alloy;alkaline anodization;orthogonal experiment；process parameters optimization

TQ031.7

A

1001-0017（2013）05-0056-03

2013-05-20

曲春燕（1963-），女，山東黃縣人，研究員，研究方向為高分子材料。