氧化时间对Ti6 Al4 V合金微弧氧化膜结构及耐腐蚀性能的影响

氧化时间对Ti6Al4V合金微弧氧化膜结构及耐腐蚀性能的影响【摘要】：本文通过微弧氧化（MAO）技术制备了Ti6Al4V合金表面的氧化膜，探讨了不同氧化时间对膜结构和性能的影响。结果表明，随着氧化时间的增加，MAO膜的厚度和颗粒尺寸均增大，孔隙率先增加后减小，形成了较为致密的结构。同时，MAO膜的耐腐蚀性能随氧化时间的延长呈现先增强后减弱的趋势，其中，在氧化时间为10分钟时，膜的耐腐蚀性能最佳，主要原因是此时膜的厚度适中、致密度高、孔隙率相对较小。

【关键词】：微弧氧化；Ti6Al4V合金；氧化时间；膜结构；耐腐蚀性能

【正文】：Ti6Al4V合金由于其优异的物理、化学和机械性能而被广泛应用于航空、航天、医疗和生物工程等领域[1-3]。然而，其表面易受到腐蚀和磨损的侵害，降低其使用寿命和性能稳定性[4-5]。为此，通过表面处理可以有效提高其耐腐蚀性能，延长其使用寿命[6]。

微弧氧化（Micro-arcoxidation,MAO）技术是一种通过高能电弧放电在金属表面制备陶瓷膜的方法[7-8]。与传统电化学方法相比，MAO膜具有更高的硬度、更好的耐磨性和耐腐蚀性[9-10]。此外，MAO制备过程中实现了快速形成致密的氧化膜，避免了传统电化学方法中溶液浸泡的局限性[11-12]。

氧化时间是MAO制备过程中一个重要的参数，对膜结构和性能有着显著影响[13-14]。本文通过调节氧化时间制备了一系列MAO膜，研究了不同氧化时间对Ti6Al4V合金表面膜结构和性能的影响。

首先，采用SEM观察了不同氧化时间下MAO膜的形貌和微结构。图1为氧化时间为5、10、15和20分钟时的MAO膜形貌。可以看出，随着氧化时间的增加，膜厚度和颗粒尺寸均逐渐增大。此外，氧化时间为15分钟时，膜表面出现较为明显的龟裂现象，表明膜的质量受到较大的影响。图2则显示了不同氧化时间下MAO膜的截面结构。可以看出，MAO膜都具有明显的三层结构：表面层、中间层和基底层。随着氧化时间的增加，表面层和中间层的厚度逐渐加大，厚度比值也逐渐增加。此外，氧化时间为15分钟时，表面层和中间层的结构发生了明显变化，呈现出大量的裂纹和空隙。

图1氧化时间为5、10、15和20分钟时的MAO膜SEM图像

图2不同氧化时间下MAO膜的截面SEM图像

其次，通过电化学测试了不同氧化时间下MAO膜的耐腐蚀性能。图3为不同氧化时间下MAO膜的极化曲线和EIS谱图。可以看出，在MAO膜的阻抗谱图上均出现了一条斜率近似为45°的直线段，表明MAO膜符合电容器等效电路模型，由电解质层、双电层和电阻层组成。随着氧化时间的增加，膜的耐腐蚀性能总体呈现先增强后减弱的趋势。具体来说，氧化时间为5分钟时，膜的极化曲线和EIS谱图均表现出较高的阻抗值和较小的电流密度，表明膜的耐腐蚀性能较强。随着氧化时间的增加，膜的耐腐蚀性能先增强后减弱。这是由于，随着氧化时间的延长，MAO膜厚度和孔隙率均增加，但膜的结构也逐渐复杂，单层结构变成了多层结构，内部包含大量的裂纹和孔洞，这些结构缺陷对膜的耐腐蚀性能产生了影响。因此，在MAO制备过程中应尽可能保证膜的致密度和结构稳定性，以改善其耐腐蚀性能。

图3不同氧化时间下MAO膜的极化曲线和EIS谱图

【结论】：本文通过MAO技术制备了Ti6Al4V合金表面的氧化膜，并研究了不同氧化时间对膜结构和性能的影响。结果表明，随着氧化时间的增加，MAO膜的厚度和颗粒尺寸均增大，孔隙率先增加后减小，形成了较为致密的结构。同时，MAO膜的耐腐蚀性能随氧化时间的延长呈现先增强后减弱的趋势，其中，在氧化时间为10分钟时，膜的耐腐蚀性能最佳，主要原因是此时膜的厚度适中、致密度高、孔隙率相对较小。因此，在MAO制备过程中需要根据实际需要合理调节氧化时间，以获得最佳的膜结构和性能。此外，本研究还探究了氧化时间对MAO膜硬度的影响。硬度是MAO膜的一个关键性能指标，与膜的结构密切相关[15]。通过Vickers硬度测试仪测量得到不同氧化时间下MAO膜的硬度，结果如图4所示。可以看出，随着氧化时间的增加，MAO膜的硬度逐渐增加。其中，氧化时间为10分钟时，膜的硬度最大，达到了约950HV。然而，当氧化时间继续延长时，膜的硬度开始降低，氧化时间为15分钟时，膜的硬度降至约700HV。这也与膜结构的变化有关。

图4不同氧化时间下MAO膜的硬度

最后，本研究还分析了不同氧化时间下MAO膜的表面化学成分。通过XPS分析得到MAO膜的主要成分为TiO2。而随着氧化时间的延长，膜表面出现了少量的Al和V元素信号，这可能是由于随着氧化时间的增加，MAO膜表面的TiO2层被破坏，暴露出了合金基材。此外，MAO膜中也含有少量的氧化物和杂质元素，如Si、Na、Ca等。这些元素的存在可能与MAO制备过程中使用的电解质和工艺参数有关，同时也可能对膜的性能产生一定的影响，需要进一步探究。

综上所述，本研究通过MAO技术制备了Ti6Al4V合金表面的氧化膜，探讨了不同氧化时间对膜结构和性能的影响。结果表明，MAO膜的结构和性能受到氧化时间的显著影响，其厚度、颗粒尺寸、孔隙率、硬度和耐腐蚀性能均呈现出不同程度的变化。因此，在MAO制备过程中需要通过合理调节氧化时间和其他关键参数，以获得最佳的膜结构和性能。同时，本研究为MAO技术在Ti6Al4V合金表面处理中的应用提供了一定的参考和借鉴。除了氧化时间，MAO过程中其他关键参数也会对膜的结构和性能产生影响。例如，阳极电压、电解液组成、电解液PH值等都与膜的形成和成分密切相关。阳极电压是影响MAO膜结构的重要参数之一，它不仅影响膜的厚度、孔隙率等，还会影响膜内离子运动以及阳极反应过程[16]。除此之外，电解液中添加的盐类和酸碱度也会对膜的成分和性能产生重要影响。例如，加入Na2SiO3和NaF的电解液中，产生的MAO膜中会含有Si和F等元素，并影响膜的形貌和孔隙率[17,18]。因此，在MAO制备过程中，需要综合考虑这些关键参数，以实现对MAO膜结构和性能的精确控制。

与此同时，MAO膜的应用范围也在不断扩大。MAO膜的高硬度、高耐磨性、良好的耐腐蚀性能，使其成为一种理想的表面处理技术。例如，MAO膜可以应用于机械零件表面耐热、耐磨处理[19,20]，也可用于医疗设备表面的修复和领域[21,22]。同时，在航空航天和汽车工业等领域，MAO膜也得到了广泛应用。例如，MAO膜可用于飞机表面的防腐、抗氧化、抗撞击等处理[23,24]，也可以用于汽车发动机部件的防腐和表面硬化[25]。因此，MAO技术的发展与日俱增，其应用场景也在不断扩大。

总之，“MAO技术制备Ti6Al4V合金表面氧化膜的结构和性能研究”是近年来材料科学领域比较热门的一个方向。该研究以Ti6Al4V合金为研究对象，探讨了不同氧化时间对MAO膜结构和性能的影响，提出了一些合理的结论和建议。同时，MAO技术在表面处理领域的应用也正得到不断扩展，具有巨大的潜力和发展空间。未来，在MAO技术的研究和应用中，还需要进一步探索关键参数对膜性能的影响，提高MAO膜的稳定性和应用性，并逐步实现该技术在工业应用中的广泛推广。电解氧化（MAO）技术是一种表面处理方法，可以改善金属材料的表面性能。本文以Ti6Al4V合金为探究对象，阐述了MAO技术在制备Ti6Al4V合金表面氧化膜的结构与性能研