第一章.概述 ...................................................................................................................................... 2
1.1钛合金简及历史发展 ......................................................................................................... 2 1.2 钛合金的特点 .................................................................................................................... 3 1.3钛合金的应用现状及存在问题 ......................................................................................... 4 1.4钛合金表面处理技术 ......................................................................................................... 5 1.5微弧氧化 ............................................................................................................................. 7 第二章、微弧氧化 ........................................................................................................................... 7
2.1微弧氧化技术的历史发展 ................................................................................................. 7 2.2微弧氧化的原理 ................................................................................................................. 8 2.3微弧氧化的特点 ............................................................................................................... 10 2.4钛合金微弧氧化陶瓷层的制备工艺 ............................................................................... 11
2.4.1钛合金微弧氧化的工艺参数 ................................................................................ 11 2.4.2钛合金微弧氧化的电解液组成 ............................................................................ 13 2.4.3微弧氧化陶瓷层的性能 ........................................................................................ 14 2.5钛合金微弧氧化技术的意义与前景 ............................................................................... 15 第三章.实验设备及实验方案设计 ................................................................................................ 17
3.1实验设备简介 ................................................................................................................... 17 3.2实验方案的选取 ............................................................................................................... 17 3.3微弧氧化膜制备过程 ....................................................................................................... 18 3.4微弧氧化过程和实验现象 ............................................................................................... 19 3.5实验材料 ........................................................................................................................... 20 3.6实验所用样品及主要仪器 ............................................................................................... 21 3.7.钛合金微弧氧化膜的金相采集 ....................................................................................... 23 第四章.实验结果及分析 ................................................................................................................ 24
4.1.微弧氧化过程中电压与时间关系 ................................................................................... 24 4.2膜层厚度 ........................................................................................................................... 25 4.3钛合金微弧氧化膜组织结构分析 ................................................................................... 27 4.4钛合金微弧氧化膜的显微硬度 ....................................................................................... 32 4.5结论 ................................................................................................................................... 33
第一章.概述
1.1钛合金简及历史发展
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。
第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75％～85％。其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。
钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，达到飞机结构重量的20％～25％。70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上。马赫数小于 2.5的飞机用钛主要是为了代替钢，以减轻结构重量。60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。70年代，钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20％～30％，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。
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另外，20世纪70年代以来，还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。
1.2 钛合金的特点
钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能见表1.1，
钛合金性度能 g/cm3 密点 熔导抗伸断弹硬热系数拉强度长率 ℃ (w/m.k) MPa 面收缩性模量度HB 率 MPa 参数 5 4.00 18.24 159 53% 25% 251.078*105 5 19
表1.1: 95%工业纯钛的性能
与工业纯钛相比，钛合金除了具有以上性能还具有以下特性。 (1)比强度高
钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。
(2)热强度高
使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。
(3)抗蚀性好
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钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
(4)低温性能好
钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。
(5)化学活性大
钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2％时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15 mm，硬化程度为20％～30％。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。
(6)导热系数小、弹性模量小
钛的导热系数λ=15.24W/（m.K）约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。
（7）耐磨性差，易氧化。
钛合金因其低朔性剪切抗力和低加工硬化率在实际生产中易发生粘着，造成磨损，同时钛合金表面氧化膜的保护作用低，钛合金的耐磨性便降低了。
1.3钛合金的应用现状及存在问题
目前，钛及其合金主要用于航空航天和军事工业上。据统计，钛在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右，包括军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座、高强螺栓、燃料箱、导弹尾翼、弹头壳体等。美国
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在这方面走在世界前列。作为美国竞争对手的俄罗斯也一直注重航空航天上钛材的使用量。日本于 1975 年用N-Ⅰ火箭发射了“菊花1 号”卫星，后又有了N-Ⅱ,H-Ⅰ，H-Ⅱ等火箭。20 世纪70 年代以来，西欧为了同美日抗衡大大加快以军事为背景的钛合金的应用研究。如法国使用新合金Ti-17 制造了GE90 和M88 发动机零件，Ti-6242 和Ti-6246 合金制造了MTP390 发动机的零件。经过 40 多年的研究，我国在这个领域取得了可喜的成绩。从“东方红”卫星上天到“神舟”飞船发射成功以及新型战机问世等，这其中都有钛合金的贡献。目前，钛在舰船上已应用的部位有:耐压壳体、螺旋桨和桨轴、通海管路、阀及附件、各类管接头、热交换器、冷却器、冷凝器、发动机零部件、升降装置及发射装置、声学装置零部件、系泊装置等。医用钛合金无毒、质轻、比强度高，具有极好的生物相容性和耐腐蚀性，是较理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物等。医用钛合金弹性模量接近于人体骨骼，因此钛合金人工关节，包括膝关节、肘关节、踝关节等被广泛用于人体矫形手术中。钛也正在向体育运动器材应用领域进军。化工、冶金、造纸、制碱、石油和农药工业是使用钛合金较早的行业。主要用在耐腐泵、阀门、叶轮、阳极液槽、加热器、蒸发器等，它们大部分是在腐蚀性高的液体介质中运转。在我国氯碱工业中，同传统使用石墨阳极电解槽相比，应用钛阳极电解槽每年可节约电近10 亿kWh，价值3 亿多元，使用寿命延长40 倍以上。在建筑业中，钛的应用也越来越广泛。在农业和畜牧业中，钛也发挥一定的作用。经实验证明，钛具有增强植物的光合，促进碳水化合物的合成等作用。在食品业和制药业中，钛用于制造容器、反应器和加热器等。
随着钛合金的使用日益广泛,现代工业对钛合金的使用性能也提出了越来越高的要求,但钛合金本身具有的一些缺点就严重限制了它的发展,特别是磨损,抗腐蚀能力还需要进一步的改善和提高.
1.4钛合金表面处理技术
钛及其钛合金虽然具有许多优良特性，但其所固有的一些缺点，如磨性差、易发热粘着，易发生高温氧化和吸氢现象而导致塑性和强度降低．机械加工性能欠佳、与其他会属零件接触会产生严重的接触腐蚀倾向等，严重限制了它的优异
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