。464 北京科技大学学报 第31卷 氧化通用电解液体系重要组成之一.本文通过研究 降低，最高与最低值相差近100V.因此，增加 电解液中NSiO3加入量对钛合金微弧氧化陶瓷膜 NSO3含量，参与导电的离子数量增加，有利于提 特性及表面形貌的影响规律，以期得到Ti6AI4V合 高电解液的电导率，使得试样在较低的电压条件下 金微弧氧化适宜的处理工艺，为其在更多领域的应 就被击穿，所需的临界起弧电压降低，故开始反应 用奠定技术基础. 2.2Na2SiO3加入量对Ti6A14V合金微弧氧化膜 1实验材料与方法 厚度的影响 图2为电解液中NSO3加入量对微弧氧化膜 实验材料为铸造Ti6A4V合金，铸锭经喷砂一 厚度的影响曲线.由图2可见，随着电解液中 酸洗一热等静压处理，然后切取试样.试样尺寸为 NSO3加入量的增加，氧化膜厚度随之增加.其中 20mm×20mm×5mm:实验采用的电解液体系为 在NaS03质量浓度由12gL增加至14gL1 Na2SiO3十NazHPO4十Na2EDTA,蒸馏水配制；微弧 时，氧化膜厚度增加速率最为显著，超过14gL1之 氧化时间为20min:实验采用WHD一30型微弧氧化 后增长缓慢.这是由于微弧氧化过程中，在放电通 电源频率100Hz,正向/负向电压恒压为380V/80 道内形成的电场作用下，把等离子体中带电荷的粒 V:电解液经循环水冷系统冷却，温度控制在60℃ 子分离，其中一些正离子被释放，进入到电解液，而 以下：电解液pH值控制在10~11. 余下的负离子如SiO和PO3等与电极表面的反 采用HCC一25型电涡流测厚仪测量氧化膜厚 应过程y.因此，增加Nm$iO3的加入量，使得电解 度，在20mm×20mm的两个表面上分别各测五个 液中的正负离子均增加，一方面电解液的导电能力 点，总计10个点均匀分布，取10个点的平均值作为 增加，放电能量加强，反应中温度较高，电解液温度 氧化膜的厚度值：氧化膜中相的组成分析采用荷兰 上升迅速，更多氧化物在高温下熔融，并参与了氧化 飞利浦APD-10型全自动粉末衍射仪（参数：Cu靶， 膜的烧结过程；另一方面，参与膜层生成的SO的 电流35mA.电压40kV,步进扫描0.02°)：氧化膜表 量增加.在以上两个方面共同作用下，氧化膜的厚 面形貌及粗糙度分析采用荷兰QUANTA400型扫 度越来越厚， 描电子显微镜以及CSPM4000型扫描探针显微镜. 90 2实验结果与讨论 80 2.1NSiO3加入量对Ti6AI4V合金微弧氧化起 70 弧电压的影响 图1所示为电解液中NaSiO3加入量不同时起 50 弧电压变化曲线.由图1可知，改变电解液中 40 Na2Si03质量浓度从12g·L-1至28gL-1,随着 Na2SiO3质量浓度的增加，正向临界起弧电压逐渐 40 18 22 26 30 360 Na,SiO1质量浓度(g-L-) 340 图2N2SO,加入量对氧化膜厚度的影响 Fig.2 Effect of NaSiO addition on the thickness of coatings 320 出 2.3 NazSiO3加入量对Ti6A14V合金微弧氧化膜 300 表面形貌的影响 不同Na2SiO3加入量时Ti6Al4V合金微弧氧化 280 膜表面形貌如图3所示.氧化膜的表面分布有大量 260 尺寸不一的微孔，微孔均匀地分布在膜层的表面，这 18 22 26 些孔相互不连通，形成孔镶嵌的网络状结构.由于 Na,SiO,质量浓度gL) 采用恒压法处理，电压加载速度缓慢，所以在微弧氧 图1Na,SiO3加入量对正向临界起弧电压的影响 化初期，Ti6A14V合金表面形成一层很薄且分布均 Fig.I Effect of NaS addition on critical forward voltage for are 匀的钝化膜，随着电压的不断增加，钝化膜被击穿， starting 这种击穿发生在试样表面的每个部位，所以膜层表氧化通用电解液体系重要组成之一.本文通过研究 电解液中 Na2SiO3 加入量对钛合金微弧氧化陶瓷膜 特性及表面形貌的影响规律, 以期得到 Ti6AI4V 合 金微弧氧化适宜的处理工艺, 为其在更多领域的应 用奠定技术基础 . 1 实验材料与方法 实验材料为铸造 Ti6Al4V 合金, 铸锭经喷砂 — 酸洗—热等静压处理, 然后切取试样.试样尺寸为 20 mm ×20 mm ×5 mm ;实验采用的电解液体系为 Na2SiO3 +Na2HPO4 +Na2EDTA, 蒸馏水配制 ;微弧 氧化时间为 20 min ;实验采用 WHD-30 型微弧氧化 电源, 频率 100 Hz, 正向/负向电压恒压为 380 V/80 V ;电解液经循环水冷系统冷却, 温度控制在 60 ℃ 以下 ;电解液 pH 值控制在 10 ～ 11 . 采用 HCC-25 型电涡流测厚仪测量氧化膜厚 度, 在 20 mm ×20 mm 的两个表面上分别各测五个 点, 总计 10 个点均匀分布, 取 10 个点的平均值作为 氧化膜的厚度值 ;氧化膜中相的组成分析采用荷兰 飞利浦APD-10 型全自动粉末衍射仪( 参数:Cu 靶, 电流 35 mA, 电压 40 kV, 步进扫描0.02°) ;氧化膜表 面形貌及粗糙度分析采用荷兰 QUAN TA400 型扫 描电子显微镜以及 CSPM 4000 型扫描探针显微镜. 2 实验结果与讨论 2.1 Na2SiO3 加入量对 Ti6Al4V 合金微弧氧化起 弧电压的影响 图 1 Na2 SiO3 加入量对正向临界起弧电压的影响 Fig.1 Effect of Na2 S iO3 addition on criti cal forward volt age for arc starting 图 1 所示为电解液中 Na2SiO3 加入量不同时起 弧电压变化曲线 .由图 1 可知, 改变电解 液中 Na2SiO3 质量浓度从 12 g·L -1至 28 g·L -1 , 随着 Na2SiO3 质量浓度的增加, 正向临界起弧电压逐渐 降低, 最 高与最低值相差 近 100 V .因此, 增加 Na2SiO3 含量, 参与导电的离子数量增加, 有利于提 高电解液的电导率, 使得试样在较低的电压条件下 就被击穿, 所需的临界起弧电压降低, 故开始反应. 2.2 Na2SiO3 加入量对 Ti6Al4V 合金微弧氧化膜 厚度的影响 图 2 为电解液中 Na2SiO3 加入量对微弧氧化膜 厚度的影 响曲线.由图 2 可见, 随着电解液中 Na2SiO3 加入量的增加, 氧化膜厚度随之增加 .其中 在 Na2SiO3 质量浓度由 12 g·L -1增加至 14 g·L -1 时, 氧化膜厚度增加速率最为显著, 超过14g·L -1之 后增长缓慢.这是由于微弧氧化过程中, 在放电通 道内形成的电场作用下, 把等离子体中带电荷的粒 子分离, 其中一些正离子被释放, 进入到电解液, 而 余下的负离子如 SiO 2 - 3 和 PO - 3 等与电极表面的反 应过程 [ 9] .因此, 增加 Na2SiO3 的加入量, 使得电解 液中的正负离子均增加, 一方面电解液的导电能力 增加, 放电能量加强, 反应中温度较高, 电解液温度 上升迅速, 更多氧化物在高温下熔融, 并参与了氧化 膜的烧结过程;另一方面, 参与膜层生成的 SiO 2- 3 的 量增加.在以上两个方面共同作用下, 氧化膜的厚 度越来越厚 . 图 2 Na2 SiO3 加入量对氧化膜厚度的影响 Fig.2 Eff ect of Na2 SiO3 addition on the thickness of coatings 2.3 Na2SiO3 加入量对 Ti6Al4V 合金微弧氧化膜 表面形貌的影响 不同Na2SiO3 加入量时 Ti6Al4V 合金微弧氧化 膜表面形貌如图 3 所示 .氧化膜的表面分布有大量 尺寸不一的微孔, 微孔均匀地分布在膜层的表面, 这 些孔相互不连通, 形成孔镶嵌的网络状结构 .由于 采用恒压法处理, 电压加载速度缓慢, 所以在微弧氧 化初期, Ti6Al4V 合金表面形成一层很薄且分布均 匀的钝化膜, 随着电压的不断增加, 钝化膜被击穿, 这种击穿发生在试样表面的每个部位, 所以膜层表 · 464 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷