面向钛合金微细铣削的等离子体电解氧化膜层的制备与性能分析

目的 降低TC4钛合金微小零件的铣削难度,提高表面加工质量和加工效率.方法 采用以NaAlO2为主要成分的电解液,借助等离子体电解氧化(Plasma Electrolysis Oxidation,PEO)作用,在TC4钛合金表面原位生长厚度约为20μm的疏松多孔氧化膜层.分别使用扫描电子显微镜、X射线能谱仪对氧化膜层的结构和组成进行表征,采用测力仪、白光干涉仪对氧化膜层微细铣削时的切削力和表面粗糙度进行测量.结果 氧化膜层为TC4钛合金原位生长所得,厚度较为均匀,约为20μm.结构疏松多孔,孔隙率高,孔洞分布较为均匀,与基体结合力差.与TC4钛合金相比,氧化膜层的弹性模量和硬度分别降低了79.8％和75.0％;相同切削参数下,三向铣削力分别降低了91.90％、78.13％和42.62％,表面粗糙度Ra值减小了52.6％.结论 该氧化膜层较传统膜层而言,有更加疏松多孔的结构,强度更低,可明显降低微细铣削的三向力,加工表面粗糙度明显降低,且无明显的顶部毛刺.该方法显著降低了TC4钛合金微细铣削的加工难度,有效改善了加工表面质量,验证了等离子体电解氧化的方法用于辅助铣削TC4钛合金的可行性.     

掩膜电解微坑阵列对钛合金表面疏水性能的影响

为了提高钛合金表面的疏水性能,采用润湿理论模型与多物理场耦合仿真相结合的方法,建立接触角与掩膜电解加工工艺参数之间的直接映射关系,揭示微坑阵列掩膜电解加工对表面疏水性能的作用。建立接触角与微坑阵列几何尺寸间的表面疏水理论模型,对掩膜电解加工进行多物理场耦合仿真;理论模型与仿真结果相结合,获得了接触角与掩膜电解加工工艺参数之间的直接映射关系。此外,以表面接触角为因变量,以电解质质量分数、掩膜尺寸和电解电压为自变量,进行正交试验仿真和计算,获得了最佳工艺参数组合并进行试验验证。与仿真计算相比,试验测量得到的微坑阵列直径、间距、深度、表面接触角误差分别为2.49%、6.87%、7.40%、6.01%,从而表明该方法在未经低表面能材料修饰的情况下,成功制备接触角约为141°的微坑阵列疏水表面。     

镍钛形状记忆合金表面微弧氧化膜的制备及性能

针对镍钛形状记忆合金植入人体时易腐蚀、镍离子过量释放的问题,以NaAlO2、C10H14N2Na2O8、Na2HPO4·12H2O的混合溶液作为电解液对NiTi合金进行微弧氧化.分别以氧化膜的镍元素含量、腐蚀电位和水接触角为评价指标,对氧化电压、氧化电流、脉冲频率和氧化时间这4个因素进行正交试验,综合评价后得到的最佳工艺条件为:氧化电压400 V,氧化电流2 A,脉冲频率200 Hz,氧化时间15 min.借助扫描电子显微镜、能谱仪、接触角测量仪和电化学工作站对微弧氧化前后的NiTi合金表面形貌、化学组成、耐蚀性、亲水性及生物相容性进行了分析和对比.结果表明,微弧氧化后,NiTi合金表面生成了外层多孔、内层致密的陶瓷氧化层,Ni含量减小90％,O和Al含量分别上升至38.97％和25.13％,腐蚀电流密度下降2个数量级,水接触角从63°减小到5°.NiTi合金微弧氧化后的耐蚀、亲水、生物相容等性能得到有效提高,Ni的释放将得到明显抑制.     

钛合金疏水表面微坑阵列的掩膜电解加工仿真与分析

为改善钛合金疏水性能,获得较高的接触角,使用掩膜电解技术对钛合金进行了凹坑阵列表面微织构的加工。首先,建立微坑阵列掩膜电解加工的数学模型并进行多物理场耦合仿真;其次,分析掩膜电解加工参数对微坑阵列的作用,并借助润湿理论模型获得微坑阵列的固-液接触面积比;最后,以该面积比为因变量,以电解质质量分数、电解电压和掩膜尺寸为自变量,进行正交试验仿真和极差分析,获得最佳工艺参数组合。与仿真预测值相比,微坑阵列单元体直径、间距、深度、固-液接触面积比和表面接触角的测量值误差均小于8%,从而表明该方法在未经低表面能材料修饰的情况下,成功制备了接触角约为140°的微坑阵列。     

SiC磨粒辅助钛合金EDM和ECM并行加工的工艺参数优化

针对钛合金的难加工特点,单纯EDM、ECM的局限性以及EDM和ECM串行加工的低效率问题,在低电阻去离子水中加入碳化硅磨粒,开展了磨粒辅助作用下的EDM和ECM并行复合加工.将材料去除率、电极损耗率和表面粗糙度作为评价指标,通过正交试验和灰关联度分析,将多工艺目标转化为单一评价指标,得到峰值电流、脉冲宽度、磨粒浓度和放电电压主要工艺参数的优化组合,并进行了试验验证.结果表明:峰值电流为1.5 A、脉冲宽度为30μs、磨料浓度为5 g/L、放电电压为40 V的工艺参数组合所得到的电极损耗率、表面粗糙度和表面形貌都得到明显改善.