電壓對TC4鈦合金表面微弧氧化膜層紅外發射率的影響

高廣睿，厲 英，呼 丹，吳宗海，李超眾，李爭顯，奚正平

(1.東北大學，遼寧 沈陽 110819)(2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(3.西安賽福斯材料防護有限責任公司，陜西 西安 710016)(4.蘭州空間技術物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

近年來隨著紅外技術的發展，高發射率涂層的研究逐漸成為熱點。目前，高發射率涂層已在熱防護系統與爐內熱效率裝置中得到廣泛應用[1-4]。由于碳化物(主要為SiC)、過渡金屬氧化物(MnO2、Fe2O3、ZrO2、Cr2O3、NiO、TiO2、Co3O4等)以及陶瓷礦化物本身具有較高的紅外發射率，故通常被用來制備高發射率涂層[5]。Li等人[6]把ZrSiO4和硅鋁酸鹽玻璃粉的混合漿液涂覆于SiC基體，高溫燒結后制備出具有高紅外發射率的涂層。該涂層在1～22 μm的寬波段內平均發射率可達0.93以上，并具有較高的致密性與高溫抗氧化性。Tang等人[7]在添加FeSO4的電解液中采用微弧氧化法在TC4鈦合金表面制備了具有高發射率的陶瓷膜層。當FeSO4濃度為3 g/L時，膜層在3～20 μm波段內的平均發射率達到最大，為0.87，同時膜層的結合強度可以達到30 MPa，并在40次熱沖擊后未出現脫落現象。

目前制備高發射率涂層的方法有常溫涂刷、高溫燒結、磁控濺射、物理氣相沉積等，但這些技術普遍存在著膜層均勻性差、結合強度低、制備成本高等問題。微弧氧化(MAO)，又稱等離子體電解氧化(PEO)，是在常規陽極氧化的基礎上發展起來的一種新興表面處理技術。與傳統的陽極氧化相比，微弧氧化將工作區域引入到高壓放電區，高壓下金屬表面氧化膜被瞬間擊穿，表面產生的弧光放電導致相應放電通道的生成，電解質進入放電通道后遇冷原位生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層。微弧氧化技術可以大大提高陶瓷膜層的硬度、耐磨性和結合強度，且工藝技術簡單，膜層組分易調，因此在精細功能涂料制備方面有良好的應用前景。目前已有許多學者研究了過渡金屬氧化物摻雜對膜層發射率的影響。Zhang等人[8]研究了摻雜過渡金屬氧化物對Fe2O3-MnO2-Co2O3-CuO材料體系發射率的影響，結果表明摻雜Ni2O3、Cr2O3后體系中有多種尖晶石生成，全波段的發射率可提高至0.93以上。微弧氧化膜層的發射率主要取決于其化學成分、表面條件和晶體結構，故制備條件會對膜層的上述因素有一定的影響，從而造成其發射率的改變，但是關于這方面的研究較少。

為此，研究了電壓對在硅酸鹽、磷酸鹽和高錳酸鉀的混合電解液體系中制備的微弧氧化膜層的微觀形貌、相組成、化學成分及紅外發射率的影響，以期在氧化時間及電解液體系相同的條件下確定出可獲得較高紅外發射率的最佳氧化電壓，為后續的研究工作提供實用的參考數據。

1 實 驗

實驗以Ti-6Al-4V合金基板為材料，將其加工成30 mm×30 mm×2 mm的試樣，表面依次用800#、1500#砂紙打磨至平整光滑，混酸酸洗(其中，HNO3濃度20%，H2SO4濃度6%，均為質量分數)6～8 s后再用無水乙醇進行超聲清洗。采用MAO60H型交流微弧氧化設備制備膜層，頻率設為600 Hz，占空比設為15%，分別在380、420、460、500、540 V的氧化電壓下氧化30 min。電解液的主要成分為：Na2SiO320 g/L，(NaPO3)610 g/L，NaOH 0.5 g/L，KMnO40.8 g/L。在微弧氧化過程中采用循環冷卻水系統將溫度控制在30 ℃以下，結束后將試樣用清水沖洗干凈并吹干。

采用日本理學D/max 2200PC型X射線衍射儀進行膜層物相分析，測試條件為：步長0.02°，掃描速度6°/min，管流40 mA，2θ掃描范圍10°～90°；采用JSM-6460型掃描電鏡觀察膜層的微觀形貌；采用ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜儀分析膜層元素的化學價態；采用JASCO FT/IR-6100型傅里葉變換紅外光譜儀測試膜層的紅外發射率；采用時代TT260渦流測厚儀與TR-200型便攜式粗糙度儀測量膜層厚度與表面粗糙度。

2 結果與分析

2.1 膜層形貌

不同氧化電壓下制得的微弧氧化膜層的厚度、表面粗糙度及平均發射率見表1。從表中可見，膜層的厚度與粗糙度隨著電壓的升高而增大，且在電壓升高到540 V時膜層厚度與粗糙度均有較大幅度的增加。膜層厚度增加的主要原因是由于電壓的升高使得反應能量密度增加，從而導致膜層的生長速率加快[9]。粗糙度的增加是由于電壓的升高導致表面擊穿熔融效應劇烈化。紅外發射率在前期有小幅度的上升，當電壓提高到540 V時達到最大[10-11]。

表1不同氧化電壓下微弧氧化膜層的性能

Table 1 Properties of MAO coatings under different voltages

圖1為不同氧化電壓下微弧氧化膜層的表面SEM照片。由圖1可見，膜層表面粗糙不平，無規則地分布著大量微弧放電孔，孔的周圍有明顯的電解質熔融附著物。同一表面放電孔的直徑相差較大，小的放電孔數量明顯多于大的放電孔數量。隨著電壓的升高，放電孔的直徑整體呈現增大的趨勢且數量逐漸減小。當電壓為540 V時，放電孔的最大直徑可達到25 μm左右，這主要是因為在高電壓的條件下放電孔道內反應較劇烈，熔融物與較低溫度的電解液接觸后未及時在表面展開就被新的熔融物所覆蓋，熔融物沉積量的增多覆蓋了許多較小的放電孔，同時也使表面進一步粗糙化。圖2為不同氧化電壓下微弧氧化膜層的截面SEM照片。從截面形貌可以看出，膜層的厚度分布不均，內部存在許多孔洞，但沒有貫穿整個膜層。隨著電壓的升高，膜層的平均厚度逐漸增大，內部孔洞的數量減少，膜層的致密性得到提高。

圖1 不同氧化電壓下微弧氧化膜層的表面SEM照片Fig.1 SEM images of surface of MAO coatings under different voltages: (a)380 V;(b)420 V; (c)460 V; (d)500 V;(e)540 V

2.2 膜層的相組成及成分分析

圖2 不同氧化電壓下微弧氧化膜層的截面SEM照片Fig.2 SEM images of cross-section of MAO coatings under different voltages: (a)380 V;(b)420 V;(c)460 V; (d)500 V;(e)540 V

表2為不同氧化電壓下微弧氧化膜層表面的EDS分析結果。膜層的化學成分取決于基底材料及電解液成分，Ti、Al為基體所含元素，Na、P、Si、Mn為電解液所含元素。從表2可以看出，隨著電壓升高膜層中Ti、Al、P元素含量不斷減小，Na、Si、Mn元素含量則呈現持續增加的變化趨勢。而膜層表面附著的熔融物主要由電解液中硅酸鹽沉積而形成，Si含量的變化也印證了這一結論[12]。

表2不同氧化電壓下微弧氧化膜層表面化學成分(x/%)

Table 2 Chemical compositions of MAO coatings under different voltages

為了進一步驗證膜層表面與截面的元素分布狀態，對膜層進行EDS面掃與線掃分析。圖3為氧化電壓為500 V的條件下微弧氧化膜層表面元素的EDS面掃分析結果。從圖中可以看出，Si、Na、P、Ti、Al等元素均勻分布于膜層的表面，Mn元素在放電孔周圍的熔融物中分布較少，整體呈現網狀分布。氧化電壓為540 V的條件下微弧氧化膜層表面元素的EDS線掃分析結果如圖4所示。從圖中可以看出，膜層中各元素的含量隨著測試深度的增加呈現梯度分布，在膜層與基體的結合面處發生明顯的變化，其中基體元素Ti、Al的含量逐漸升高，電解液元素Na、Si、P、Mn的含量逐漸降低。

圖3 500 V氧化電壓下微弧氧化膜層的EDS面掃分析圖Fig.3 EDS mapping results of the MAO coating prepared under 500 V: (a)SEM morphology; (b)Si;(c)O;(d)Na;(e)P;(f)Al; (g)Ti; (h)Mn

圖4 540 V氧化電壓下微弧氧化膜層的EDS線掃分析圖Fig.4 EDS mapping results of the MAO coating prepared under 540 V:(a)cross-sectional SEM morphology;(b)EDS elemental line scans

圖5為不同氧化電壓下微弧氧化膜層的XRD衍射圖譜。由圖5可知，微弧氧化膜層主要由TiO2和單質Ti組成，其中Ti單質峰在高角度表現出較大強度是由基體中晶體生長的擇優取向所導致的。隨著電壓的增加膜層中的Ti基體峰逐漸變弱，主要原因在于膜層厚度的增加。TiO2的特征峰整體較弱，當電壓達到540 V時已經完全消失，結合EDS分析結果可得出當電壓達到540 V時，TiO2的含量較少因而難以被檢測到。所有樣品中都沒有檢測出Si、P、Mn元素特征峰的存在，而所有樣品的XRD圖譜中都存在非晶包，但TiO2的臨界冷卻速率非常高，其熔體在凝固時易形成晶態相，而很難通過快速冷卻形成非晶相，故可推測Si、P、Mn元素在膜層中可能以非晶相存在[13-14]。

圖5 不同氧化電壓下微弧氧化膜層的XRD衍射圖譜Fig.5 XRD patterns of MAO coatings under different voltages

圖6 460 V氧化電壓下微弧氧化膜層各元素的XPS圖譜Fig.6 XPS spectras of elements of the MAO coating prepared under 460 V: (a)Ti2p; (b)Si2p; (c)P2p; (d)Mn2p

微弧氧化過程主要反應如式(1)～(6)所示。其中，陰極反應為：

2H++ 2e-→ H2↑

(1)

陽極反應為：

4OH--4e-→ O2↑+ 2H2O

(2)

Ti + 4OH--4e-→ TiO2+ 2H2O

(3)

(4)

(5)

(6)

2.3 膜層的發射率

材料內部的電子、原子、分子等基本粒子在發生振動、轉動或躍遷時通常通過電磁波來發射能量，這種電磁輻射基本上都在紅外波段內。圖7為不同氧化電壓下微弧氧化膜層在7～20 μm波段內的紅外發射率曲線。由圖可見，不同電壓下膜層的發射率值相差較小，但總體呈增加趨勢，在540 V電壓下增幅較大達到最高，對發射率在8～20 μm的較穩定波段積分得出平均發射率為0.84，與微弧氧化膜層的厚度、粗糙度以及氧化電壓的變化規律一致。

圖7 不同氧化電壓下微弧氧化膜層的紅外發射率曲線Fig.7 Infrared emissivity curves of MAO coatings under different voltages

發射率的變化規律可解釋為以下3種機制：首先，電解液中KMnO4的加入促進了膜層中過渡金屬氧化物MnO2的生成，有助于其本身發射率的提高。膜層內不同原子的相互作用導致了晶體缺陷從而降低了晶格振動的對稱性，導致晶體中偶極矩的變化，可以使難以實現的躍遷在電場中得以發生，進而有利于提高材料的發射率[19-21]。其次，根據文獻報道，膜層紅外發射率的影響因素包括膜層的成分及結構、厚度、粗糙度。資料表明，膜層厚度和粗糙度的增加均有助于膜層紅外發射率的提高[22-23]。540 V電壓下膜層的厚度和粗糙度均有較大幅度的提高，同時發射率也達到了最大，與文獻觀點相符。最后，結合XRD與XPS的分析結果可知，在電壓升高到540 V時，膜層中TiO2的含量幾乎為0，膜層基本完全由Si、P、Mn等氧化物的非晶相組成，而非晶態本身較高的結構混亂度易引發晶格畸變從而使膜層中原子的極性振動增加，可促進長波段內紅外發射率的升高。

3 結 論

(1)TC4鈦合金微弧氧化膜層表面和界面均呈多孔狀態，在保持電解液組分不變的情況下，膜層的厚度與粗糙度隨著電壓的升高而增大，在電壓升至540 V時有較大增幅。

(3)紅外發射率在電壓為540 V時明顯升高，在8～20 μm的波段內平均可達0.84，這主要與微弧氧化膜層表面粗糙度和厚度的增大有關，同時膜層內非晶態氧化物的存在也可造成晶格畸變進而有利于發射率的提高。

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