淺析鈦合金微弧氧化工藝及發(fā)展方向

景天　解念鎖

摘 要：文章綜述了鈦合金微弧氧化工藝應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題，結(jié)合鈦合金微弧氧化的工業(yè)應(yīng)用，提出了鈦合金微弧氧化的發(fā)展方向及展望。

關(guān)鍵詞：鈦合金；微弧氧化；發(fā)展方向

1 前言

鈦及鈦合金具有重量輕、強(qiáng)度大、熱強(qiáng)性高、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、生物相容性好等許多優(yōu)特性，被譽(yù)為未來(lái)的金屬、空間金屬和海洋金屬，是具有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料。鈦及鈦合金可以用鈦代替不銹鋼、鎳基合金和其它稀有金屬，制作各種熱交換器、反應(yīng)器、蒸餾塔、高壓容器等設(shè)備[1]。應(yīng)用鈦合金對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、減少消耗、降低能耗、防止污染、降低成本、改善勞動(dòng)條件和提高生產(chǎn)率等方面都有十分重要的意義[2]。但是鈦合金本身硬度較低，耐蝕性、高溫抗氧化性能差，使它的應(yīng)用范圍受到限制[3]。對(duì)鈦合金進(jìn)行微弧氧化處理工藝，可以在鈦合金表面原位形成陶瓷膜，提高鈦合金的耐磨性及耐腐蝕性能，對(duì)鈦合金進(jìn)行微弧氧化處理時(shí)常常存在一定的問(wèn)題，影響著微弧氧化處理的效果[4]。所以加強(qiáng)分析研究鈦及其鈦合金微弧氧化工藝存在的問(wèn)題，對(duì)于其應(yīng)用具有實(shí)際意義[5，6]。

2 鈦合金微弧氧化工藝存在的問(wèn)題

將微弧氧化技術(shù)應(yīng)用于處理鈦及鈦合金，目前主要有交流微弧氧化技術(shù)、直流微弧氧化技術(shù)及其他技術(shù)。雖然取得了一定的發(fā)展，并向?qū)嵱没~進(jìn)了一大步。但對(duì)于規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用還存在許多技術(shù)問(wèn)題。一是如何降低大規(guī)模鈦合金微弧氧化工藝生產(chǎn)的成本也是急需解決的問(wèn)題。根據(jù)微弧氧化理論，對(duì)鈦及鈦合金進(jìn)行微弧氧化處理更大表面積的零件意味著高能耗，而且生產(chǎn)環(huán)境危險(xiǎn)，生產(chǎn)中微弧產(chǎn)生大量的熱，需要龐大的冷卻裝置系統(tǒng)來(lái)冷卻電解液，這些都增加了該技術(shù)的成本。二是鈦合金進(jìn)行微弧氧化處理過(guò)程中形成陶瓷膜的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律還沒(méi)有形成系統(tǒng)的理論，需要建立合理的模型來(lái)全面描述鈦合金微弧氧化時(shí)陶瓷膜的形成規(guī)律，以便指導(dǎo)試驗(yàn)研究和理論分析。三是鈦合金微弧氧化液的設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究較少，有關(guān)基體成分設(shè)計(jì)及成分對(duì)微弧氧化膜組織和性能的影響研究還不多。四是由于鈦合金微弧氧化表面層耐污性較差，孔洞較多，鈦合金基體與陶瓷膜過(guò)渡層之間有明顯分層現(xiàn)象，氧化膜與基體結(jié)合力較差，不利于直接使用，必須進(jìn)行表面涂裝，目前對(duì)微弧氧化層的涂裝處理研究很少，影響了鈦合金微弧氧化技術(shù)的應(yīng)用。

3 鈦合金微弧氧化的研究方向

結(jié)合鈦合金微弧氧化工藝存在的問(wèn)題，鈦合金微弧氧化技術(shù)的研究方向主要有以下幾方面。一是如何提高鈦合金微弧氧化設(shè)備產(chǎn)能和能源利用率問(wèn)題。在微弧氧化過(guò)程中，電流效率較低，溶液熱能值占總電能比例較少，大量的能量浪費(fèi)在溶液升溫過(guò)程，能源利用率較低，提高設(shè)備的產(chǎn)能和能源利用率非常重要。二是如何提高和穩(wěn)定鈦合金微弧氧化陶瓷膜的表面質(zhì)量，解決顏色單一，難于滿足多樣性問(wèn)題。鈦合金微弧氧化工藝解決了材料的防腐蝕、耐磨損等問(wèn)題，但是鈦合金微弧氧化能生產(chǎn)出的陶瓷層顏色還比較單一，主要有有黑色、白色、灰色和咖啡色，這樣就限制了它的應(yīng)用，特別是當(dāng)把微弧氧化技術(shù)應(yīng)用到零件外觀設(shè)計(jì)處理方面。三是如何解決鈦合金微弧氧化膜層表面的光澤度和粗糙度問(wèn)題。根據(jù)微弧放電機(jī)理，微弧氧化陶瓷層存在大量微孔，孔洞的大量存在和孔洞分布的不均勻性影響著鈦合金零件表面的光澤度和粗糙度。另外，隨著零件表面幾何形狀的變化，微弧氧化膜的孔洞半徑、孔隙率、孔洞分布的均勻性、表面粗糙度也發(fā)生變化，而且表面粗糙度隨著膜厚度的增加而增大，這樣影響膜層表面的光澤度，限制了微弧氧化陶瓷層的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 鈦合金微弧氧化技術(shù)的應(yīng)用

鈦合金微弧氧化工藝作為一種新興的表面處理技術(shù)，正日益受到人們的重視，航空、航天工業(yè)、在機(jī)械制造業(yè)、紡織工業(yè)、民用品生產(chǎn)領(lǐng)域，微弧氧化涂層也都具有廣闊的應(yīng)用前景。鈦及其合金微弧氧化形成的TiO2膜不但絕緣性好，而且介電常數(shù)高，可用于電子材料。TiO2具有很強(qiáng)的氧化性，能夠高效的分解有機(jī)物，能夠光催化抗菌和分解有害氣體，可用于水處理和空氣凈化。鈦及其合金微弧氧化陶瓷膜在微弧氧化過(guò)程中擊穿形成的放電通道，在生物醫(yī)用中可使硬組織植入材料朝內(nèi)生長(zhǎng)，因此可望較好地改善與新生骨的機(jī)械嚙合。人們研究發(fā)現(xiàn)，鈣、磷是人體硬組織的基本成分，為促進(jìn)骨生長(zhǎng)，人們?cè)谖⒒⊙趸娊庖褐幸脞}、磷離子，形成富含鈣磷的二氧化鈦薄膜，從而有效地提高生物相容性和骨誘導(dǎo)性，縮短愈合時(shí)間。鈦及其合金微弧氧化技術(shù)可在形狀復(fù)雜、線性尺寸相差很大的零件上形成均勻、堅(jiān)硬的膜層，有利于防止在使用中與鈦合金接觸的由銅材料、鋼材、其他合金制造的管道及其他船舶制造零件在海水中腐蝕，有利于提高鈦及其合金的抗腐蝕性。

5 鈦合金微弧氧化技術(shù)的展望

同其他鈦合金表面處理技術(shù)相比，鈦及其合金微弧氧化技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單易行、環(huán)保，處理過(guò)程對(duì)基體無(wú)有害影響等諸多優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展趨勢(shì)是在完善鈦合金微弧氧化放電模型和膜層生長(zhǎng)模型的基礎(chǔ)上，將鈦合金表面微弧氧化技術(shù)與其它表面處理技術(shù)相結(jié)合，以提高鈦合金表面微弧氧化膜層的使用性能和應(yīng)用范圍。還要根據(jù)鈦合金零件的性能要求，合理設(shè)計(jì)鈦合金表面微弧氧化陶瓷層組成相，以獲得具有耐磨、抗氧化、低摩擦系數(shù)、熱阻性高的表面，獲得結(jié)合強(qiáng)度高、性能優(yōu)良的鈦合金表面微弧氧化陶瓷涂層，進(jìn)一步拓寬鈦合金表面改性技術(shù)發(fā)展的新途徑與新方法，增強(qiáng)鈦及其合金微弧氧化的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：景天（1991，7-），男，漢族，陜西戶縣人，本科生，研究方向是金屬材料工程。