性能的有效利用和新用途开拓。于是，运用表面工程技术克服钛及其钛合金的这些缺陷并赋予钛材料新的性能,以满足不同应用领域的特殊要求，一直是人们极为关注的课题。
钛合金材料表面工程技术就是通过某种工艺手段赋予表面不同于基体材料的组织结构、化学组成，因而具有不同于基体材料的性能。使之既具有基体材料的机械强度和其它力学性能，又能由新形成的表面获得所需要的各种特殊性能。表面工程技术可简单分为三类：①表面组织强化，目的是改善表面的显微组织.②表面合分化，其目的是改善表面化学成分；③表面改性，沉积到表面上形成薄膜。总而言之是采用各种表面处理技术以获得或改善某种表面性能，得到一个厚度在几微米到几毫米的改性层。四十多年来国内外的学者开展了广泛的、卓有成效的试验研究工作,从传统的电镀、热扩散、化学转化膜技术，到现代的表面沉积、高密度能量表面强化、离子注入技术等方面，均取得了一系列重要的研究成果。钛合金表面技术几乎是所有表面技术在钛合金应用领域的延伸，许许多多的表面组织强化及表面改性技术正在研究探讨之中。
在提高钛及其台金的表面硬度和耐磨性方面,有采用传统的电镀、化学镀、热扩敝、阳极氧化等处理方法；开展了多种条件下的表面氮化方法的研究，如激
光氮化法、离子氮化法、氮离子注入硬化法等；为了使硼渗入钛合金表面并生成一层硼化物柬提高其硬度和耐磨性，研究了粉末填充、融盐浸渍、熔盐电解硼化、镀层硼化等处理方法；还有热喷涂、气相沉积、等离子渗碳、离子渗金属、深度硬化等新工艺技术。以上这一系列的钛表面技术都是用来解决硬度和耐磨性这个问题。
在增强钛及其合金的耐蚀性方面,开展了大量有成效的工作，如化学氧化阳极氧化及微弧氧化方法均能使钛合金表面生成较厚的钝化膜，来增强其耐蚀性；表面合金化是采用离子注入、离子渗金属、氮化、无氢渗碳等工艺，在钛及其合令表面形成表面耐蚀合会层，来满足耐蚀性能要求：另外，还有在钛表面涂覆贵余属来防止缝隙腐蚀。
在钛及钛合金的抗氧化表面改性技术方面：研究人员应用包渗、电沉积、化学气相沉积、等离子喷涂、离子镀及离子注入等工艺技术，在钛表面沉积抗氧化 涂层，取得了显著的成绩。
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1.5微弧氧化
微弧氧化(Microarc oxidation，MAO)又称微等离子体氧化(Microplasma oxidation, MPO)，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。在微弧氧化过程中，化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化同时存在,因此陶瓷层的形成过程非常复杂,至今还没有一个合理的模型能全面描述陶瓷层的形成。
微弧氧化工艺将工作区域由普通阳极氧化的法拉第区域引入到高压放电区域，克服了硬质阳极氧化的缺陷，极大地提高了膜层的综合性能。微弧氧化膜层与基体结合牢固，结构致密，韧性高，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性。该技术具有操作简单和易于实现膜层功能调节的特点，而且工艺不复杂，不造成环境污染，是一项全新的绿色环保型材料表面处理技术，在航空航天、机械、电子、装饰等领域具有广阔的应用前景。
第二章、微弧氧化
2.1微弧氧化技术的历史发展
早在20世纪30年代初德国科学家 A.Gunterschulz和H.Betz 第一次报道了在高电场下浸在液体里的金属表面出现火花放电现象，火花对氧化膜具有破坏作用在没有发现产生硬质层的条件下， 做出了“为了得到高质量的涂层，就不应该用高于出现火花时的电压” 的结论，这就为火花阳极氧化奠定了初步的理论基础。这一观点一直延续到 2 0世纪70年代，尽管少数学者对这一现象持保留观点，但始终没能彻底改变这个结论。 1969年，前苏联科学家 G.A.Markov 在向铝及铝合金材料施加高于火花区电压时，突破性地获得了高质量的氧化膜，这种膜层具有很好的耐磨性和耐腐蚀性，而且铝基体经过微弧氧化处理后，依据基体的厚度和氧化膜的相对深度，可以使它的有效杨氏模量提高100%~200%。他把这种在微电弧条件下通过氧化获得涂层的过程称为微弧氧化 ( Microarc Oxidation，MAO) 。此后 G.A. 一Markov 课题组进行大量基础性研究，并在此
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基础上进行了应用研究。1977年，俄罗斯科学院无机化学研究所的研究人员采用交流电压模式，使用比火花放电阳极氧化高的电压，在工件表面产生微等离子弧，并形成氧化膜，并于1977年独立地发表了一篇论文,将其称为微弧氧化，这标志着微弧氧化技术研究的开始。七十年代以后，前苏联，德国和日本都加大了对该种技术的研究力度，并将该技术运用于航空航天中，其中美国在该工业中大量使用该技术以对钛合金表面改性进行研究并投入使用。上世纪80年代，德国学者Kurze．P利用火花放电在纯铝表面获得含仅一A1203的硬质膜层，从此，微弧氧化技术就有了很大的发展。俄罗斯科学院无机化学研究所的研究人员采用交流电压模式，采用的电压比火花放电阳极氧化高，并首次命名为微弧氧化。随后威弧氧化技术迅速发展起来，进入一个崭新的研究阶段。二十世纪九十年代后期，在国际上，就先后有人采用这一技术制备出了具有不同性能的微弧氧化陶瓷膜。如H.H.Wu在铝合金上制备出了显微硬度超过4300hv的超硬陶瓷膜；Gneden kov 等在铝合金基体上制备了厚度在15-32μm，硬度在1800-700OMPa之间，耐温能力可高达870℃的耐热冲击膜；Gordeink。和Rudnev等在钛合金上制备了防细菌膜;vlyssides等在钛及其合金上制备出具有光催化作用的功能陶瓷膜。到了2000年以后，Nie等先后在纯钛及其合金上制备了与生物相兼容的生物陶瓷膜。
我国是上世纪七十年代从俄罗斯引进该技术的，进行了耐磨、装饰性涂层等一系列的研究，经过多年的不懈努力与发展现在逐渐走向实用阶段，进入新世纪，随着对材料性能的要求越来越高，我国对微弧氧化的研究主要集中在铝、镁、钛及合金表面微弧氧化制备耐磨、耐腐蚀涂层，并取得了一定的研究进展。
2.2微弧氧化的原理
微弧氧化是从普通阳极氧化发展而来的，它的基本原理是：突破了传统的阳极氧化对电流，电压的限制，把阳极电压从几十伏提高到几百伏，当电压达到一定临界值时，击穿金属表面形成的氧化膜产生微弧放电并形成放电通道，在放电通道内瞬间形成高温高压并伴随复杂的物理化学过程，使金属表面原位生长出性能优良的氧化膜。
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在微弧氧化过程中，把工件放入电解槽中，通电后工件表面现象及膜层生长过程有明显的阶段性。在微弧氧化初期，金属光泽逐渐消失，材料表面有气泡产生，在工件表面生成一层很薄的多孔的绝缘氧化膜，绝缘膜的存在是形成微弧氧化的必要条件，随着电压的升高，氧化膜被击穿。随着微弧氧化的不断进行，表面上游动弧斑不断变大，数量不断减少，跳跃的频率也不断降低，知道最终弧光消失。由于击穿部位总是在氧化膜相对薄弱的部位发生，当氧化物绝缘膜被击穿后，在该部位生成新的氧化膜，击穿点即移动到其他相对薄弱的部位，因此最终形成的氧化膜是均匀的。微弧氧化的整个过程可以描述为：击穿——熔化——覆盖——弧熄——凝固——击穿的反复过程，同时生成的陶瓷层不断溶解又不断生成。
由于微等离子体氧化膜的形成包含了物理化学，电化学和等离子体化学等多方面的共同作用，其过程非常复杂，至今尚没有一个合理的模型能全面的描述氧化膜的形成过程。下图2.1是微弧氧化制备工艺的原理简图。图中双极性脉冲电源的电压电流和频率是可控可调的，电参数用程序准确控制，微弧氧化的工件接脉冲电源的负极，冷却夹套内通循环水，以控制电解液的温度，根据膜层的性质与用途决定电解液的配方，吹气搅拌用的压缩空气管保证了电解液浓度的均匀性。
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图2.1：微弧氧化原理示意图
但对于微弧氧化的机理有两种理论多为认可。一是S.IKonopisov提出的定量理论模型。他引入了陶瓷击穿电压的概念，认为击穿电压主要取决于金属的性质，电解液的组成及溶液的导电性，而电流密度和电极形状及升压方式等对VB的影
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响较小。在此基础上，建立了导电率p和VB与溶液温度T之间的关系
VB=a+bLgp VB=c+d\\T
试中a，b为基体金属有关的常数，c，d为与电解液有关的常数。 另一种理论是奥贝拉提出的放电的高能粒子来源于进入氧化膜中的电解质的观点。电解质粒子进入氧化膜后形成杂质放电中心，产生等离子放电，使氧离子电解质离子与集体金属结和，同事放出大量的热，使形成的氧化膜在基体表面熔合，形成具有陶瓷结构的氧化膜。提出VB 与电解质浓度以及膜层厚度与电压的关系：
式中E为电场强度，a，b为常数，z，η为系数，z>0,η<1.
式中，d为膜层厚度，di和k为常数，V为最终成膜电压，VB为击穿电压。 下图2.2为氧化膜形成示意图：
图2.2：氧化膜形成示意图
微弧氧化同普通阳极氧化的最大区别在于微弧氧化过程中微电弧参加了反应，并提供了氧化膜烧结及原子热扩散所需要的能量，形成了高温等离子体。
2.3微弧氧化的特点
（1）大幅度地提高了材料的表面硬度, 显微硬度在1000至2000HV(维氏硬
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