淺析鈦合金微弧氧化工藝及發展方向

景天　解念鎖

摘 要：文章綜述了鈦合金微弧氧化工藝應用中存在的一些問題，結合鈦合金微弧氧化的工業應用，提出了鈦合金微弧氧化的發展方向及展望。

關鍵詞：鈦合金；微弧氧化；發展方向

1 前言

鈦及鈦合金具有重量輕、強度大、熱強性高、比強度高、耐腐蝕、生物相容性好等許多優特性，被譽為未來的金屬、空間金屬和海洋金屬，是具有發展前途的新型結構材料。鈦及鈦合金可以用鈦代替不銹鋼、鎳基合金和其它稀有金屬，制作各種熱交換器、反應器、蒸餾塔、高壓容器等設備[1]。應用鈦合金對于提高產品質量、延長設備使用壽命、減少消耗、降低能耗、防止污染、降低成本、改善勞動條件和提高生產率等方面都有十分重要的意義[2]。但是鈦合金本身硬度較低，耐蝕性、高溫抗氧化性能差，使它的應用范圍受到限制[3]。對鈦合金進行微弧氧化處理工藝，可以在鈦合金表面原位形成陶瓷膜，提高鈦合金的耐磨性及耐腐蝕性能，對鈦合金進行微弧氧化處理時常常存在一定的問題，影響著微弧氧化處理的效果[4]。所以加強分析研究鈦及其鈦合金微弧氧化工藝存在的問題，對于其應用具有實際意義[5，6]。

2 鈦合金微弧氧化工藝存在的問題

將微弧氧化技術應用于處理鈦及鈦合金，目前主要有交流微弧氧化技術、直流微弧氧化技術及其他技術。雖然取得了一定的發展，并向實用化邁進了一大步。但對于規模化工業應用還存在許多技術問題。一是如何降低大規模鈦合金微弧氧化工藝生產的成本也是急需解決的問題。根據微弧氧化理論，對鈦及鈦合金進行微弧氧化處理更大表面積的零件意味著高能耗，而且生產環境危險，生產中微弧產生大量的熱，需要龐大的冷卻裝置系統來冷卻電解液，這些都增加了該技術的成本。二是鈦合金進行微弧氧化處理過程中形成陶瓷膜的熱力學和動力學規律還沒有形成系統的理論，需要建立合理的模型來全面描述鈦合金微弧氧化時陶瓷膜的形成規律，以便指導試驗研究和理論分析。三是鈦合金微弧氧化液的設計及優化研究較少，有關基體成分設計及成分對微弧氧化膜組織和性能的影響研究還不多。四是由于鈦合金微弧氧化表面層耐污性較差，孔洞較多，鈦合金基體與陶瓷膜過渡層之間有明顯分層現象，氧化膜與基體結合力較差，不利于直接使用，必須進行表面涂裝，目前對微弧氧化層的涂裝處理研究很少，影響了鈦合金微弧氧化技術的應用。

3 鈦合金微弧氧化的研究方向

結合鈦合金微弧氧化工藝存在的問題，鈦合金微弧氧化技術的研究方向主要有以下幾方面。一是如何提高鈦合金微弧氧化設備產能和能源利用率問題。在微弧氧化過程中，電流效率較低，溶液熱能值占總電能比例較少，大量的能量浪費在溶液升溫過程，能源利用率較低，提高設備的產能和能源利用率非常重要。二是如何提高和穩定鈦合金微弧氧化陶瓷膜的表面質量，解決顏色單一，難于滿足多樣性問題。鈦合金微弧氧化工藝解決了材料的防腐蝕、耐磨損等問題，但是鈦合金微弧氧化能生產出的陶瓷層顏色還比較單一，主要有有黑色、白色、灰色和咖啡色，這樣就限制了它的應用，特別是當把微弧氧化技術應用到零件外觀設計處理方面。三是如何解決鈦合金微弧氧化膜層表面的光澤度和粗糙度問題。根據微弧放電機理，微弧氧化陶瓷層存在大量微孔，孔洞的大量存在和孔洞分布的不均勻性影響著鈦合金零件表面的光澤度和粗糙度。另外，隨著零件表面幾何形狀的變化，微弧氧化膜的孔洞半徑、孔隙率、孔洞分布的均勻性、表面粗糙度也發生變化，而且表面粗糙度隨著膜厚度的增加而增大，這樣影響膜層表面的光澤度，限制了微弧氧化陶瓷層的應用領域。

4 鈦合金微弧氧化技術的應用

鈦合金微弧氧化工藝作為一種新興的表面處理技術，正日益受到人們的重視，航空、航天工業、在機械制造業、紡織工業、民用品生產領域，微弧氧化涂層也都具有廣闊的應用前景。鈦及其合金微弧氧化形成的TiO2膜不但絕緣性好，而且介電常數高，可用于電子材料。TiO2具有很強的氧化性，能夠高效的分解有機物，能夠光催化抗菌和分解有害氣體，可用于水處理和空氣凈化。鈦及其合金微弧氧化陶瓷膜在微弧氧化過程中擊穿形成的放電通道，在生物醫用中可使硬組織植入材料朝內生長，因此可望較好地改善與新生骨的機械嚙合。人們研究發現，鈣、磷是人體硬組織的基本成分，為促進骨生長，人們在微弧氧化電解液中引入鈣、磷離子，形成富含鈣磷的二氧化鈦薄膜，從而有效地提高生物相容性和骨誘導性，縮短愈合時間。鈦及其合金微弧氧化技術可在形狀復雜、線性尺寸相差很大的零件上形成均勻、堅硬的膜層，有利于防止在使用中與鈦合金接觸的由銅材料、鋼材、其他合金制造的管道及其他船舶制造零件在海水中腐蝕，有利于提高鈦及其合金的抗腐蝕性。

5 鈦合金微弧氧化技術的展望

同其他鈦合金表面處理技術相比，鈦及其合金微弧氧化技術具有工藝簡單易行、環保，處理過程對基體無有害影響等諸多優點，其發展趨勢是在完善鈦合金微弧氧化放電模型和膜層生長模型的基礎上，將鈦合金表面微弧氧化技術與其它表面處理技術相結合，以提高鈦合金表面微弧氧化膜層的使用性能和應用范圍。還要根據鈦合金零件的性能要求，合理設計鈦合金表面微弧氧化陶瓷層組成相，以獲得具有耐磨、抗氧化、低摩擦系數、熱阻性高的表面，獲得結合強度高、性能優良的鈦合金表面微弧氧化陶瓷涂層，進一步拓寬鈦合金表面改性技術發展的新途徑與新方法，增強鈦及其合金微弧氧化的應用前景。

參考文獻

[1]王瑾.面向環境的產品設計制造及應用研究[J].機械管理開發，2011，（1）：59-60.

[2]解念鎖，武立志.鈦合金表面微弧氧化的影響因素及其應用[J].熱加工工藝，2011，40（12）：130-133.

[3]武立志，解念鎖.Ti6Al4V鈦合金微弧氧化工藝研究.陜西理工學院學報（自然科學版）[J].2011，27（2）：1-4.

[4]王瑾.微弧氧化對TC4鈦合金耐硫酸腐蝕性能的影響[J].熱加工工藝，2013，42（20）：94-96.

[5]吳云峰，楊鋼，方樹銘.鈦合金微弧氧化影響因素及研究現狀[J].熱加工工藝，2013，42（8）：10-13.

[6]吳向清，謝發勤.鈦合金表面微弧氧化技術的研究[J].材料導報，2005，19（6）：85-87.

作者簡介：景天（1991，7-），男，漢族，陜西戶縣人，本科生，研究方向是金屬材料工程。