Ti-6Al-4V 合金表面預處理研究

何蕾摘譯自《International Journal of Adhesion＆Adhesives》

近年來，復合材料以其優異的結構強度和性能在新一代飛機上顯示出巨大的應用前景。然而，碳纖維復合材料在與金屬鋁接觸時易發生接觸腐蝕，并向金屬內部擴散。而金屬鈦表面可以迅速生成納米級氧化層，并且即使該氧化層受到破壞，在有氧或水的情況下又可以重新生成新的氧化層，從而避免在與碳纖維復合材料接觸時被腐蝕。由于復合材料具有較高的缺口敏感度，因此，碳纖維復合材料在與金屬基體接合時通常選用附著粘合的方法。為了提高鈦合金基體與碳纖維復合材料界面間的接合強度，研究對比了濕化學法和等離子體預處理法對Ti-6Al-4V 基體表面的預處理效果。首先選用堿性清洗劑P3-Almeco 18 在(70 ±3)℃下對尺寸為150 mm×150 mm×2.0 mm 的Ti-6Al-4V 合金試樣表面清洗15 min，然后用濃度為500 g/L 的Turco 5578 溶液在(95 ±3)℃下對試樣進行堿刻蝕處理，再對經刻蝕后的試樣分別進行NaTESi 陽極化處理以及等離子體處理。陽極化處理選用三電極體系，以Ti-6Al-4V 合金作為陽極，電壓為10 V，處理時間為15 min，處理溫度為(30±2)℃，電解液成分為氫氧化鈉(300 g/L)、酒石酸鈉(65 g/L)、乙二胺四乙酸(30 g/L)、硅酸鈉(6 g/L)。等離子體處理以六甲基二硅醚(HMDSO)為前驅體在經堿刻蝕處理后的Ti-6Al-4V合金試樣表面沉積SiOx層，其中基體溫度為200 ℃，工作距離為0.5 mm。SEM 觀察發現，僅經Turco 5578 堿刻蝕處理后的試樣(試樣Turco 5578)表面形成了20 ～30 nm 厚的氧化膜，且表面存在大量粗糙區域;再經大氣壓等離子體處理后(試樣Turco 5578 + HMDSO)，表面膜厚度達到了76 ～94 nm 且變得致密，有大量結節狀結構，無孔洞及缺陷;而經NaTESi 陽極化處理后(試樣Turco 5578 +NaTESi)，氧化膜厚度則達到了540 ～660 nm 且呈納米多孔結構，孔徑在30 ～70 nm。XPS 分析以及氧化膜結合持久性測試結果表明，以HMDSO 為前驅體，通過大氣壓等離子技術，可以在Ti-6Al-4V 合金表面得到SiO2層，與試樣Turco 5578 相比，其表面微觀粗糙度更高，且結合持久性更好;而試樣Turco 5578 +NaTESi 的表面較試樣Turco 5578 + HMDSO 更加糙度，且結合持久性能最佳。雖然等離子體處理得到的試樣的接合持久性能與試樣Turco 5578 +NaTESi 有一定差距，但是等離子處理技術可以避免使用有毒有害化學品，是一種環境友好型表面處理技術。相信隨著等離子體處理工藝的優化，試樣Turco 5578+HMDSO 的表面粗糙度及均勻性可以進一步得到提高，其結合持久性也可以更加優異。