Ti-6Al-4V 合金表面预处理研究

何蕾摘译自《International Journal of Adhesion＆Adhesives》

近年来，复合材料以其优异的结构强度和性能在新一代飞机上显示出巨大的应用前景。然而，碳纤维复合材料在与金属铝接触时易发生接触腐蚀，并向金属内部扩散。而金属钛表面可以迅速生成纳米级氧化层，并且即使该氧化层受到破坏，在有氧或水的情况下又可以重新生成新的氧化层，从而避免在与碳纤维复合材料接触时被腐蚀。由于复合材料具有较高的缺口敏感度，因此，碳纤维复合材料在与金属基体接合时通常选用附着粘合的方法。为了提高钛合金基体与碳纤维复合材料界面间的接合强度，研究对比了湿化学法和等离子体预处理法对Ti-6Al-4V 基体表面的预处理效果。首先选用碱性清洗剂P3-Almeco 18 在(70 ±3)℃下对尺寸为150 mm×150 mm×2.0 mm 的Ti-6Al-4V 合金试样表面清洗15 min，然后用浓度为500 g/L 的Turco 5578 溶液在(95 ±3)℃下对试样进行碱刻蚀处理，再对经刻蚀后的试样分别进行NaTESi 阳极化处理以及等离子体处理。阳极化处理选用三电极体系，以Ti-6Al-4V 合金作为阳极，电压为10 V，处理时间为15 min，处理温度为(30±2)℃，电解液成分为氢氧化钠(300 g/L)、酒石酸钠(65 g/L)、乙二胺四乙酸(30 g/L)、硅酸钠(6 g/L)。等离子体处理以六甲基二硅醚(HMDSO)为前驱体在经碱刻蚀处理后的Ti-6Al-4V合金试样表面沉积SiOx层，其中基体温度为200 ℃，工作距离为0.5 mm。SEM 观察发现，仅经Turco 5578 碱刻蚀处理后的试样(试样Turco 5578)表面形成了20 ～30 nm 厚的氧化膜，且表面存在大量粗糙区域;再经大气压等离子体处理后(试样Turco 5578 + HMDSO)，表面膜厚度达到了76 ～94 nm 且变得致密，有大量结节状结构，无孔洞及缺陷;而经NaTESi 阳极化处理后(试样Turco 5578 +NaTESi)，氧化膜厚度则达到了540 ～660 nm 且呈纳米多孔结构，孔径在30 ～70 nm。XPS 分析以及氧化膜结合持久性测试结果表明，以HMDSO 为前驱体，通过大气压等离子技术，可以在Ti-6Al-4V 合金表面得到SiO2层，与试样Turco 5578 相比，其表面微观粗糙度更高，且结合持久性更好;而试样Turco 5578 +NaTESi 的表面较试样Turco 5578 + HMDSO 更加糙度，且结合持久性能最佳。虽然等离子体处理得到的试样的接合持久性能与试样Turco 5578 +NaTESi 有一定差距，但是等离子处理技术可以避免使用有毒有害化学品，是一种环境友好型表面处理技术。相信随着等离子体处理工艺的优化，试样Turco 5578+HMDSO 的表面粗糙度及均匀性可以进一步得到提高，其结合持久性也可以更加优异。