钛合金表面微弧氧化膜的特点及成膜分析

用微弧氧化方法在钛合金上形成二氧化钛薄膜，用扫描电镜、X射线衍射以及透射电镜分析了膜的组织结构和化学成分，用纳米压入仪和划擦仪测量了膜的硬度和弹性模量及划擦抗力。结果表明，钛合金表面形成一层微弧氧化膜，含有纳米晶结构。薄膜由晶体和少量非晶体组成，硬度和弹性模量分别为0．78GPa和35．6GPa，划擦过程中未出现膜从基体表面的剥落，但高载荷下膜本身有破坏和脱落。     

热氧化提高钛及钛合金表面性能的研究进展

热氧化作为一种引起广泛关注的钛及钛合金表面改性技术,具有工艺简单、原位生长、薄膜厚度大以及性价比高等特点。通过热氧化表面处理技术能够在钛及钛合金表面形成较厚的由钛氧化层和氧的扩散层组成的硬质氧化膜,氧化膜对材料起到有效的保护作用,提高了材料单一耐磨性、耐蚀性以及生物活性或综合表面性能。从热氧化工艺原理及其对钛及钛合金表面性能影响的角度,综述了热氧化对钛及钛合金表面硬度、耐磨性、耐蚀性、生物相容性等性能影响的研究进展,并对其以后的研究方向进行了展望。通过合理控制氧化温度、氧化时间、氧化气氛及冷却方式等工艺条件,从而得到连续、致密且疲劳性能较好的金红石型TiO_2和氧的扩散层是改善钛及钛合金性能的关键。将热氧化处理与其他工艺相结合,针对性地提高膜层厚度及材料的耐磨性、耐蚀性、生物性能等,以实现复合涂层的制备将是热氧化在钛及钛合金性能改善方面的研究方向。     

TC4合金热氧化行为的研究

为提高钛合金的表面硬度和耐磨性能,采用表面改性热氧化技术在钛合金表面自生成陶瓷层。用金相显微镜及粗糙度测试仪研究了氧化膜的表面形貌,用显微硬度计分析了试样表面的硬度情况,电子探针研究了涂层成分沿断面分布的情况。结果表明：高温钛合金的氧化层由TiO2和其外表面的一薄层Al2O3所组成,使表面的硬度得到显著的提高。     

热氧化时间对Ti6Al4V表层组织和性能的影响

在973 K和保温10,20,30,40,50 h条件下对Ti6Al4V进行热氧化处理。采用X射线衍射仪、辉光光谱分析仪和扫描电镜分析热氧化层的特征。借助显微硬度计,摩擦磨损试验机和电化学工作站研究热氧化时间对Ti6Al4V的表面硬度、耐磨性和耐蚀性的影响。结果表明:Ti6Al4V表面制备的热氧化层均匀、连续;延长热氧化时间可促进氧化层的增厚。热氧化处理显著提高了Ti6Al4V的表面硬度、改善了其耐磨性和耐蚀性,但没有呈现线性增长特征。结合氧化层的厚度、表面硬度、耐磨性和耐蚀性等结果,973 K/30 h工艺下获得的氧化层具有较好的综合特征。     

热氧化处理对钛合金表面耐磨性能影响的研究

为研究热氧化工艺对钛合金表面耐磨性的影响,提高钛合金的表面硬度和耐磨性能,采用热氧化处理技术在钛合金表面生成热氧化陶瓷层,借助电子探针、X衍射仪对热氧化层进行了成分和结构分析.采用MRH-3型高速滑块磨损试验机,在润滑务件下对经热氧化处理和未处理的Ti6Al4V合金耐磨性进行滑动一滚动试验.结果表明:热氧化后的Ti6Al4V合金的磨损量明显减少,该热氧化处理方法能显著增强Ti6Al4V合金的耐磨性.根据试验结果和系统分析,讨论了热氧化处理后材料的摩擦磨损机制.     

ZL101铸造铝合金微弧氧化陶瓷层的组织和性能

通过等离子体微弧放电在Al-Si铸造铝合金表面沉积出较厚的陶瓷层。用扫描电镜、X射线衍射分析了膜层的形貌、成分和相组成，用显微力学探针测定了硬度和弹性模量分布，并探讨了陶瓷相的形成机理。陶瓷层主要由α-Al2O3、γ-Al2O3和莫来石相组成，膜外层还含有大量SiO2非晶相。膜外层的硅元素主要来自电解液而不是Al-Si合金基体。硬度和弹性模量在陶瓷层里分布具有相似性。从表面到内部,硬度和弹性模量逐渐增加．并在内层有一个极大值。     

钛合金表面激光重熔微弧氧化层的组织结构及摩擦磨损性能

为改善TC21钛合金表面微弧氧化(micro arc oxidation,MAO)涂层的微观结构致密性和耐磨性能，对MAO涂层进行了激光重熔改性，并对重熔后涂层的微观结构、成分、相组成以及硬度、摩擦磨损性能等进行了表征测试。结果显示，重熔MAO涂层由重熔外层、重熔内层和热影响层3层结构组成，其中外层和内层主要由Al₂TiO₅、rutile-TiO₂和α-Al₂O₃组成，热影响层由α-Ti和β-Ti转变组织组成，重熔MAO涂层的硬度显著增大。在摩擦磨损实验中，重熔MAO涂层摩擦系数低于MAO涂层和TC21钛合金基体，其磨损机制以粘着磨损为主，并伴有轻微的磨粒磨损。激光重熔MAO涂层显著提高了TC21钛合金摩擦磨损性能。     

微弧氧化法制备氧化钛基多孔复合生物陶瓷涂层

采用新颖的微弧氧化法(Microarc oxidation,MAO)在钛合金表面制备氧化钛基含钙磷的多孔复合生物陶瓷涂层.用扫描电镜(SEM)、电子能谱(EDAX)和X射线衍射(XRD)表征涂层的微观形貌、元素与相组成.采用纳米压痕仪(Nano Indenter)测试涂层的力学性能,并通过在模拟体液(Simulated body fluid,SBF)中培养对陶瓷涂层的生物活性进行了初步研究.结果表明,微弧氧化时间、电解液配比与电参数是影响涂层结构与Ca/P比值的关键工艺参数.涂层主要由锐钛矿和金红石相TiO2及钙磷化合物组成.涂层内层为致密的氧化钛层,并与钛合金基底成微冶金结合.涂层外层主要为含钙磷的化合物层,且涂层表面呈多微孔结构,有利于骨组织的长入并改善骨与植入体的结合.涂层的硬度为5.9GPa,弹性模量为102.5GPa.优化工艺参数下(氧化时间5min,占空比8%)制备的涂层,在模拟体液中培养8周有明显的羟基磷灰石沉积.羟基磷灰石在微孔内或孔边缘位置首先形核并长大,并逐渐向周边扩展生成羟基磷灰石层,体现了多孔含钙磷生物陶瓷涂层良好的诱骨生长特性.     

热氧化温度对TA2纯钛组织与耐蚀性的影响

对TA2工业纯钛进行不同温度热氧化处理.采用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)分析热氧化处理试样截面组织,用EDS和XRD进行微区成分和物相分析;研究不同温度氧化处理试样的表层显微硬度以及浓盐酸中的耐腐蚀性,采用SEM观察试样腐蚀前后表面形貌.结果表明,热氧化后TA2表面形成了金红石型TiO2氧化膜,整个氧化层由金红石型TiO2氧化层、外扩散层和内氧扩散层构成.TiO2氧化膜厚度随热氧化温度升高而增加, 700 ℃以下增速很缓、超过700 ℃快速增厚;热氧化处理表层硬度亦随热氧化温度升高而提高.热氧化TA2试样在36%～38%HCl中耐腐蚀性明显改善,其中700 ℃热氧化处理的耐蚀性最优.     

前置渗氧对TC4钛合金低温等离子复合渗层微观结构和耐磨损性能的影响

针对钛合金硬度低、耐磨性差的缺点,提出了一种由渗氧和氧氮共渗两个过程组成的低温等离子复合渗工艺,并着重研究了前置渗氧对钛合金表面微观结构、物相组成及耐磨性能的影响。利用SEM、TEM、XRD等手段对复合渗层的微观结构和相组成进行了分析,结果表明,等离子复合渗处理的钛合金样品渗层主要由化合物层和扩散层组成,物相为金红石型TiO₂和氮化物TiN_0.26。采用显微硬度计、纳米压痕仪和往复式摩擦试验机对渗层的显微硬度和摩擦磨损性能进行了表征,结果表明,与传统等离子渗氮相比,等离子复合渗处理可增加渗层的厚度,显著提高钛合金的硬度和弹性模量,大幅改善钛合金的耐磨损性能。     

不同压力对 TC4 钛合金真空脉冲渗氮的影响

目的采用不同压力对TC4钛合金进行真空脉冲渗氮处理,提高其表面硬度及耐磨性。方法通过金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计及耐磨试验机分析渗氮硬化层的组织与性能。结果 TC4钛合金经过真空气体渗氮处理后,形成了由Ti N,Ti2Al N和钛铝金属间化合物Ti3Al组成的复合改性层。渗氮压力太低,表面氮化物数量较少,氮化物层较薄;随渗氮压力的增大,表面氮化物数量增多,表面硬度及耐磨性增加。压力为0.015 MPa时,氮化物层表面硬度最大,表面硬度为1100~1200HV,有效硬化层深度为50~60μm。渗氮压力继续增加,表层组织变得疏松,表面硬度及耐磨性开始降低。结论选择合适的渗氮压力和表面氮浓度进行真空脉冲渗氮,可以提高钛合金表面硬度,改善耐磨性。     

退火温度对MAO-TC4钛合金表面组织及腐蚀性能的影响

通过微弧氧化技术(Micro-arc oxidation, MAO)对TC4合金进行表面处理,随后采用X射线衍射仪、场发射扫描电镜、激光共聚焦显微镜、硬度测试以及电化学腐蚀等方法研究不同退火温度下MAO-TC4合金的表面氧化膜层形貌、厚度、硬度、相结构以及电化学腐蚀行为。结果表明:随着退火温度的升高,MAO-TC4合金表面氧化膜层的显微硬度亦随之增大,当退火温度为850 ℃时,其最高显微硬度为592 HV0.2。450~850 ℃退火温度范围内,随退火温度升高,MAO-TC4合金的膜层耐腐蚀性先增加后降低;当退火温度为650 ℃时,膜层的自腐蚀电流密度为0.125 μA/cm²,耐腐蚀性能最佳。     

Effect of thermal oxidation on the corrosion resistance of Ti6Al4V alloy in hydrochloric and nitric acid medium

The characteristics of Ti6Al4V alloy subjected to thermal oxidation in air atmosphere at 650 °C for 48 h and its corrosion behavior in 0.1 and 4 M HCl and HNO₃ medium are addressed. When compared to the naturally formed oxide layer (～4–6 nm), a relatively thicker oxide scale (～7 µm) is formed throughout the surface of Ti6Al4V alloy after thermal oxidation. XRD pattern disclose the formation of the rutile and oxygen‐diffused titanium as the predominant phases. A significant improvement in the hardness (from 324 ± 8 to 985 ± 40 HV_0.25) is observed due to the formation of hard oxide layer on the surface followed by the presence of an oxygen diffusion zone beneath it. Electrochemical studies reveal that the thermally oxidized Ti6Al4V alloy offers a better corrosion resistance than its untreated counterpart in both HCl and HNO₃ medium. The uniform surface coverage, compactness and thickness of the oxide layer provide an effective barrier towards corrosion of the Ti6Al4V alloy. The study concludes that thermal oxidation is an effective approach to engineer the surface of Ti6Al4V alloy to increase its corrosion resistance in HCl and HNO₃ medium.     

热氧化TC4合金在模拟油田介质中的腐蚀磨损行为

采用热氧化技术对TC4合金进行表面处理,研究了热氧化TC4合金在模拟油田介质中的腐蚀磨损行为。结果表明:热氧化层主要由金红石相组成,热氧化层具有更高的表面硬度,更低的磨损失重和比磨损率。热氧化处理显著提高了TC4合金在模拟油田介质中的抗腐蚀磨损性能。     

微弧氧化对TC4钛合金高温抗氧化性能的影响

采用直流稳压电源,在Na2SiO3、Na3PO4电解液中对TC4钛合金表面进行微弧氧化处理,研究了微弧氧化对TC4钛合金高温抗氧化性能的影响.结果表明,经微弧氧化的TC4合金高温抗氧化性能明显优于TC4钛合金;在750℃循环氧化100h后,经300V电压微弧氧化60 min的TC4钛合金的氧化增重为7.8 mg/cm2,而未经微弧氧化处理的TC4钛合金氧化增重为30.51 mg/cm2;随着微弧氧化时间增长和电压的增大,微弧氧化TC4钛合金的高温抗氧化性能也增强.     

热氧化TC4静动态力学性能研究

本文选取700 °C/10 h热氧化工艺,对TC4进行热氧化处理。通过准静态压缩,纳米压入及分离式Hopkinson压杆冲击等测试,研究了热氧化对TC4静动态力学性能的影响。此外,借助扫描电镜(SEM)分析了动态冲击后氧化层的形貌。结果表明,热氧化TC4具有较好的静态力学性能和较高的应变率强化效应。氧化层在较低冲击应变率下,能够提高TC4的塑性；而当应变率过大,则会降低其塑性。最后,经过对本构模型修正和试验数据拟合,得到了室温下的热氧化TC4的Johnson-Cook(J-C)本构方程。修正曲线与实验结果对比,两者在塑性平台区吻合较好。     

TC4钛合金表面激光熔覆掺Y2O3复合涂层的显微组织和性能

目的提高钛合金表面的耐磨性能。方法在TiB_2:TiC=1:3的粉末配比下,添加不同质量分数Y_2O_3稀土氧化物,制备成膏状混合粉末。采用5 k W横流CO_2激光器,在TC4钛合金表面激光熔覆掺Y_2O_3的TiB_2和TiC粉末,制备耐磨性复合涂层。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对激光熔覆层的微观形貌和组织成分进行了分析;用显微维氏硬度计对熔覆层的显微硬度进行了测量;用万能摩擦磨损试验机对熔覆层的耐磨性能进行了测试。结果添加4%Y_2O_3后,熔覆层中部组织明显细化,结合区由致密组织结构转变为晶须网状结构;熔覆层的最高显微硬度为1404.6HV0.2,是基体的3.7倍;熔覆层的磨损量减少了66.67%,且其摩擦系数有明显的降低。结论添加4%Y_2O_3对TC4钛合金表面激光熔覆TiB/TiC复合熔覆层耐磨性能有显著的提高。     

Oxidation and tribological properties of anodized Ti45Al8.5Nb alloy

The oxidation performance and tribological properties of the anodized Ti45Al8.5Nb were investigated. Anodization was performed in ethylene glycol containing 0.15 mol/L NH₄F. Results showed that the anodized Ti45Al8.5Nb alloy exhibited good resistance against oxidation. After 100 h oxidation at 1000 °C, the mass gain of the anodized Ti45Al8.5Nb alloy was only 0.37 mg/cm². This is attributed to the generation of protective oxide scale. On the other hand, the hardness and elastic modulus of the anodized Ti45Al8.5Nb alloy decreased and then increased with the prolonging of thermal exposure due to the generation of the Al₂O₃-enriched outermost oxide layer.