航空發(fā)動機風扇葉片大多數(shù)為鈦合金，通常在高溫苛刻條件下服役，其表面要求具有抗高溫氧化和抗高溫腐蝕等性能。TC4合金具有優(yōu)良的性能，作為現(xiàn)代燃氣輪機熱端部件應(yīng)用十分廣泛，由于服役環(huán)境十分苛刻，故對其服役性能有著更高的要求，以保證更高的安全可靠性[1-2]。

為了提高鈦合金在高溫條件下長期穩(wěn)定服役的性能，采用高溫陶瓷化新型處理技術(shù)在其表面制備出一層陶瓷膜層加以防護。高溫陶瓷化是將Ti等金屬及其合金作為陽極浸φ于電解液中，在較高電壓及較大電流所形成的強電場中，將工件由普通陽極氧化的法拉第區(qū)拉到了高壓放電區(qū)，使材料表面產(chǎn)生微弧放電，在復(fù)雜的反應(yīng)下，在金屬表面直接原位生長出陶瓷質(zhì)氧化物陶瓷膜的一項新技術(shù)[3-5]。通過高溫陶瓷化新型處理技術(shù)來實現(xiàn)鈦合金材料與陶瓷材料的有機冶金結(jié)合[6-7]，在鈦合金表面原位生長出陶瓷來，形成一層陶瓷氧化膜層，這樣既能發(fā)揮鈦合金基體的高強韌性，又能發(fā)揮陶瓷材料對鈦合金表面的防護，使其綜合性能得到提高。目前，微弧氧化電解液主成膜劑中較常使用Na₂SiO₃電解液體系作為主鹽對TC4鈦合金進行高溫陶瓷化處理，可以制備出性能優(yōu)良的陶瓷膜層，使其滿足材料在極端條件下的承受能力，延長使用壽命，減少制造成本[8]。高溫陶瓷化電解液不含有毒物質(zhì)和重金屬元素，電解液抗污染能力強和再生重復(fù)使用率高，對環(huán)境污染小，因而可以滿足優(yōu)質(zhì)清潔生產(chǎn)的需要。電解液濃度大小對陶瓷膜層的厚度到硬度影響極大，因此本項目以Na₂SiO₃為主鹽，在不同濃度條件下制備出不同膜層，通過對所制備出的膜層性能進行分析，最終優(yōu)化出最佳的電解液配方。

1、試驗材料和方法

1.1試驗材料試驗所用的基體材料由蘇州川茂金屬材料有限公司經(jīng)銷的Ti6A14V鈦合金，以下簡稱為TC4鈦合金。其主要化學成分如表1-1所示。

1.2樣品制備本試驗

選取規(guī)格為5mm厚的板材，加工成φ20mm×5mm規(guī)格的試樣，試樣側(cè)面鉆攻M3深4mm螺紋孔，以保證導(dǎo)電銅絲與試樣充分接觸。試樣加工圖如圖1-1所示。

1.3試驗方法

1.3.1工藝方案

試樣表面用細砂紙打磨后，用酒精到丙酮溶液到超聲波清洗脫脂除油后，經(jīng)去離子水活化表面后，用吹風機干燥裝入密封袋待用。微弧氧化試驗裝置主要由電源到電解槽到試樣夾具到控溫系統(tǒng)到攪拌系統(tǒng)到冷卻系統(tǒng)組成。微弧氧化工作電流0~50A，額定空載電壓700V，頻率0~500Hz之間連續(xù)可調(diào)。

微弧氧化電源如圖1-2所示。電解液溫度維持在15~25℃之間。影響微弧氧化陶瓷膜層性能的因素主要有電參數(shù)到電解液參數(shù)和基體材料等。

通過查閱文獻確定本實驗選取的電參數(shù)（如表1-2所示）和在其他電解液參數(shù)不變的情況下選取不同Na₂SiO₃濃度的電解液參數(shù)（如表1-3所示）對主成膜劑Na₂SiO₃進行優(yōu)化。

1.3.2檢測方法

利用便攜式測厚儀分別在試樣膜層正反兩面測量5個點后取其平均值；采用HXS-1000A顯微硬度計對所制備的試樣截面處測量10個點后取其平均值；通過TR200粗糙度儀測量10次后取其平均值；通過S-4700型掃描電鏡觀察陶瓷層表面及截面形貌。

2、實驗結(jié)果及分析

2.1Na₂SiO₃濃度對膜層表面及截面形貌的影響

以下為Na₂SiO₃濃度為15g/L時制備出陶瓷膜層表面和截面形貌，具體如圖2-1所示。

從圖2-1所示的表面形貌圖中可以看出，陶瓷層表面呈現(xiàn)野介質(zhì)擊穿冶，擊穿后留下野火山口狀冶堆積，陶瓷層表面呈現(xiàn)出大量的野圓餅狀冶結(jié)構(gòu)，每個圓餅的中心存在一個放電通道，放電通道的周圍存在熔融物凝固的痕跡，這主要是由于電壓不斷升高，反應(yīng)越來越劇烈，導(dǎo)致膜層微孔變大，熔融物瞬間從放電通道中流出，并又迅速凝固所致。熔融氧化物在冷凝過程中產(chǎn)生的大量氣體，在壓力的作用下也從放電通道逸出，壓迫周圍的熔融膜層產(chǎn)物，形成無數(shù)個大小不等的火山凸起形貌，氣體逸出通道時會留下不同形狀的盲孔。在Na₂SiO₃電解液體系下[9]，對TC4合金進行微弧氧化處理，從表面形貌上觀察得到，微弧氧化陶瓷層由許多大小不等的顆粒組成，這些顆粒熔化后在連接一起，形成直徑為幾微米大小不同的孔洞，分別基本均勻，表明微弧氧化膜層呈現(xiàn)出一種多孔狀態(tài)。這是由于在微弧氧化初期，較低的起弧電壓均勻擊穿樣品表面自然形成的氧化膜，由于放電微區(qū)的瞬間溫度可高達2000℃甚至以上，擊穿過程產(chǎn)生的熔融鈦及其他合金元素的氧化物在電解液的野冷淬冶作用下以冶金結(jié)合的方式結(jié)合在一起，同時，由于初期的放電過程僅發(fā)生在試樣表面，故形成的膜層致密，看不到氣體逸出產(chǎn)生逸出通道之類的缺陷。

微弧氧化過程中，可能發(fā)生有如下的反應(yīng)[10]：

陽極反應(yīng)：

2.2Na₂SiO₃濃度對膜層厚度的影響

以下為Na₂SiO₃濃度分別為5g/L到10g/L到15g/L到20g/L到25g/L時制備出膜層厚度值，具體測試數(shù)值如表1-4所示。

上述5組試驗所制備出的陶瓷膜層厚度分別從15.9μm到42.5μm。隨著Na₂SiO₃濃度的提高膜層厚度不斷增加，濃度從5g/L到15g/L時膜層增加較快，而濃度從15g/L增加到25g/L時，膜層生長速度逐漸變得緩慢。

2.3Na₂SiO₃濃度對膜層硬度的影響

以下為Na₂SiO₃濃度分別為5g/L到10g/L到15g/L到20g/L到25g/L時制備出膜層硬度值，具體測試數(shù)值如表1-5所示。

上述5組試驗所制備出的膜層硬度分別從Hv768到Hv905。隨著Na₂SiO₃濃度的提高膜層硬度不斷增加，濃度從5g/L到15g/L時膜層硬度增加幅度較大，而濃度從15g/L增加到25g/L時，膜層硬度增長速度逐漸變得減緩。

2.4Na₂SiO₃濃度對膜層粗糙度的影響

以下為Na₂SiO₃濃度分別為5g/L到10g/L到15g/L到20g/L到25g/L時制備出膜層粗糙度值，具體測試數(shù)值如表1-6所示。

上述5組試驗所制備出的膜層粗糙度值呈現(xiàn)出先下降后升高的趨勢，分別從2.874um下降到2.432um，后又升高到3.530um，而且上升的幅度比較大。這說明Na₂SiO₃濃度過低或過高，膜層粗糙度值均較大，在Na2SiO3濃度為15g/L時，膜層粗糙度值最低，為2.432um。

3、結(jié)論

1）膜層表面呈野火山噴口冶狀微小孔洞，這是由于微弧氧化時微區(qū)高溫放電，熔融狀態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物迅速冷卻收縮所致；

2）隨著Na₂SiO₃濃度由5g/L到10g/L到15g/L到20g/L到25g/L不斷增加，厚度和硬度值均表現(xiàn)出不斷上升的趨勢，當Na₂SiO₃濃度為25g/L時膜層厚度值最高達42.5um，膜層硬度值最高達905Hv，膜層粗糙度值最大值達3.530um；

3）綜合Na₂SiO₃濃度對陶瓷層厚度到顯微硬度及粗糙度影響，得出最佳電解液配方，即硅酸鈉15g/L，氫氧化鈉0.5g/L，抑弧劑4ml/L，硼酸1.5g/L；雙氧水2ml/L。在此配方下制備出的膜層厚度達到34.2um，顯微硬度HV878，粗糙度2.432um，綜合性能最優(yōu)。

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