第1期 于美等：钛合金的环保电化学抛光工艺 71。 2.2抛光电流密度对基体表面形貌及腐蚀速率的 图7为在同一浓度溶液中分别以三组不同电流 影响 密度、不同抛光时间抛光的试样的光学显微镜照片. 因为在高氯酸含量较低的溶液中进行抛光可以 从图中可以看出：在抛光的初始阶段，较大的电流密 获得相对平整光滑的表面，因此固定溶液中高氯酸 度(30A·dm-2)(如图7(c)所示)获得的抛光表面相 含量在5%不变，改变电流密度(20,25和 对平整，但是随着抛光时间的延长（如图7（℃，f,)所 30A·dmˉ2)对钛合金进行抛光，研究在不同电流密 示试样表面平整程度变化不大：而低电流密度 度下的抛光腐蚀行为.从图5中的失重一时间曲线 (20A·dmˉ2)下虽然抛光初始阶段表面相对起伏较 可以看出，抛光时所采用的电流密度越大其失重速 大（如图7(a)所示），但是随着抛光时间的延长（如 率即腐蚀速率越大.三种电流密度下的失重一时间 图7(ad,g)所示)试样表面越来越平整光滑.图8 曲线表现出相同的变化趋势，由式(1)计算出的抛光 为不同电流密度、相同抛光时间的试样表面的原子 过程近似平均腐蚀速率（图6也表现出大致相同的 显微照片.从三者的对比可以看出，在三种抛光电 变化趋势，且三种电流密度对应的曲线近似平行. 流密度中低电流密度(20A·dm)下抛光的试样表 从图6中可以看出，在相同浓度、不同电流密度下， 面相对更加平整. 抛光时间大于6min时，△m随时间t的变化(d△m/ 2.3抛光时间对基体表面形貌及抛光速率的影响 d)也基本符合线性函数关系，而且具有几乎相同的 从图7中的照片对比可以看出，随着时间的延 变化系数，只是在纵轴上的截距不同，即在同一种溶 长，试片的表面变得越来越光亮平坦，所以时间的延 液中尽管抛光过程中所采用的电流密度不同其腐蚀 长有助于抛光.但是不能无限制延长抛光时间，因 模式是相同的.结合不同高氯酸含量的溶液中的腐 为抛光时间过长会使试样失重率过大，同时也增加 蚀模式即可得经验公式： 渗氢的可能性 △m=a1十b （2) 从图5和图6中的曲线变化趋势可以发现： 其中，α与溶液中高氯酸含量具有一定的对应关系， (1)随着高氯酸含量的增大腐蚀速率（质量损失）减 b与电流密度具有一定的对应关系 小：(2)随着抛光时间的延长平均腐蚀速率减小.很 0.10 明显，提高高氯酸的含量，会使在基体表面生成的产 。-20Adm2 物（覆盖物的致密性提高，从而阻挡了反应离子（高 0.08 ◆25Adm2 30 A.dm 氯酸根离子)向基体的穿透，造成基体一覆盖物界面 s00.06 处高氯酸根浓度的降低，进而降低其腐蚀速率.另 以0.04 一方面，随着抛光的进行和高氯酸根离子的消耗，金 0.02 属基体一溶液界面处金属离子浓度升高，形成“盐 膜”阻碍溶解的金属离子向液本体中扩散，且溶液本 681012141618 抛光时间/min 体中高氯酸根离子的浓度必然降低.这两个因素也 导致腐蚀速率随时间降低 图5不同电流密度下电化学抛光的失垂时间曲线 2.4试片表面活性的验证 Fig.5 Curves of weight los to time at different current densities 抛光后的钛合金试片表面是否具有均匀一致的 反应活性，要靠试片表面能否在后续的阳极氧化步 16 14 骤中得到均匀一致的氧化膜来判断，因此本实验采 12 用直接在抛光后的试片上进行阳极氧化的方式验证 10 试片表面是否具有适于阳极氧化的反应活性.试片 8 6 在脉冲电源恒电流模式下，以本实验室自行开发的 。-20Adm2 4 ·-25Adm2 阳极氧化配方进行氧化，得到的氧化膜的表面形貌 2 4-30Adm2 和断面显微照片如图9所示.从形貌图中可以看 0 681012141618 出，钛合金表面的阳极氧化膜是一种沉积膜，存在着 抛光时间min 一些微米级的不规则小孔.从断面图中可以看出， 图6不同电流密度下电化学抛光的平均腐蚀速率曲线 在抛光后的钛合金表面的生长的阳极氧化膜（箭头 Fig.6 Curves of average corrosion rate to time at different cureent 所指部位)厚度比一般阳极氧化膜要厚，在20m左 densities 右，且厚度均匀.从氧化膜的厚度和均匀性来看，以2.2 抛光电流密度对基体表面形貌及腐蚀速率的 影响 因为在高氯酸含量较低的溶液中进行抛光可以 获得相对平整光滑的表面, 因此固定溶液中高氯酸 含量 在 5 %不 变, 改 变 电 流 密 度 ( 20, 25 和 30A·dm -2 ) 对钛合金进行抛光, 研究在不同电流密 度下的抛光腐蚀行为.从图 5 中的失重-时间曲线 可以看出, 抛光时所采用的电流密度越大, 其失重速 率即腐蚀速率越大 .三种电流密度下的失重-时间 曲线表现出相同的变化趋势, 由式( 1) 计算出的抛光 过程近似平均腐蚀速率( 图 6) 也表现出大致相同的 变化趋势, 且三种电流密度对应的曲线近似平行 . 从图 6 中可以看出, 在相同浓度、不同电流密度下, 抛光时间大于 6 min 时, Δm 随时间t 的变化( dΔm/ dt) 也基本符合线性函数关系, 而且具有几乎相同的 变化系数, 只是在纵轴上的截距不同, 即在同一种溶 液中尽管抛光过程中所采用的电流密度不同其腐蚀 模式是相同的.结合不同高氯酸含量的溶液中的腐 蚀模式即可得经验公式: Δm =a·t +b ( 2) 其中, a 与溶液中高氯酸含量具有一定的对应关系, b 与电流密度具有一定的对应关系. 图 5 不同电流密度下电化学抛光的失重-时间曲线 Fig.5 Curves of w eight loss to time at diff erent current densities 图 6 不同电流密度下电化学抛光的平均腐蚀速率曲线 Fig.6 Curves of average corrosion rat e t o time at diff erent cureent densities 图 7 为在同一浓度溶液中分别以三组不同电流 密度、不同抛光时间抛光的试样的光学显微镜照片. 从图中可以看出:在抛光的初始阶段, 较大的电流密 度( 30 A·dm -2 ) ( 如图 7( c) 所示) 获得的抛光表面相 对平整, 但是随着抛光时间的延长( 如图 7( c, f, i) 所 示) 试样表面平整程度变化不大 ;而低电流密度 ( 20A·dm -2 ) 下虽然抛光初始阶段表面相对起伏较 大( 如图 7( a) 所示) , 但是随着抛光时间的延长( 如 图 7( a, d, g) 所示) 试样表面越来越平整光滑.图 8 为不同电流密度、相同抛光时间的试样表面的原子 显微照片 .从三者的对比可以看出, 在三种抛光电 流密度中低电流密度( 20 A·dm -2 ) 下抛光的试样表 面相对更加平整. 2.3 抛光时间对基体表面形貌及抛光速率的影响 从图 7 中的照片对比可以看出, 随着时间的延 长, 试片的表面变得越来越光亮平坦, 所以时间的延 长有助于抛光.但是不能无限制延长抛光时间, 因 为抛光时间过长会使试样失重率过大, 同时也增加 渗氢的可能性. 从图 5 和图 6 中的曲线变化趋势可以发现: ( 1) 随着高氯酸含量的增大腐蚀速率( 质量损失) 减 小 ;( 2) 随着抛光时间的延长平均腐蚀速率减小.很 明显, 提高高氯酸的含量, 会使在基体表面生成的产 物( 覆盖物) 的致密性提高, 从而阻挡了反应离子( 高 氯酸根离子) 向基体的穿透, 造成基体-覆盖物界面 处高氯酸根浓度的降低, 进而降低其腐蚀速率 .另 一方面, 随着抛光的进行和高氯酸根离子的消耗, 金 属基体-溶液界面处金属离子浓度升高, 形成“盐 膜”阻碍溶解的金属离子向液本体中扩散, 且溶液本 体中高氯酸根离子的浓度必然降低 .这两个因素也 导致腐蚀速率随时间降低. 2.4 试片表面活性的验证 抛光后的钛合金试片表面是否具有均匀一致的 反应活性, 要靠试片表面能否在后续的阳极氧化步 骤中得到均匀一致的氧化膜来判断, 因此本实验采 用直接在抛光后的试片上进行阳极氧化的方式验证 试片表面是否具有适于阳极氧化的反应活性.试片 在脉冲电源恒电流模式下, 以本实验室自行开发的 阳极氧化配方进行氧化, 得到的氧化膜的表面形貌 和断面显微照片如图 9 所示 .从形貌图中可以看 出, 钛合金表面的阳极氧化膜是一种沉积膜, 存在着 一些微米级的不规则小孔 .从断面图中可以看出, 在抛光后的钛合金表面的生长的阳极氧化膜( 箭头 所指部位) 厚度比一般阳极氧化膜要厚, 在 20μm 左 右, 且厚度均匀.从氧化膜的厚度和均匀性来看, 以 第 1 期 于 美等:钛合金的环保电化学抛光工艺 · 71 ·