浅析钛合金微弧氧化工艺及发展方向

景天　解念锁

摘 要：文章综述了钛合金微弧氧化工艺应用中存在的一些问题，结合钛合金微弧氧化的工业应用，提出了钛合金微弧氧化的发展方向及展望。

关键词：钛合金；微弧氧化；发展方向

1 前言

钛及钛合金具有重量轻、强度大、热强性高、比强度高、耐腐蚀、生物相容性好等许多优特性，被誉为未来的金属、空间金属和海洋金属，是具有发展前途的新型结构材料。钛及钛合金可以用钛代替不锈钢、镍基合金和其它稀有金属，制作各种热交换器、反应器、蒸馏塔、高压容器等设备[1]。应用钛合金对于提高产品质量、延长设备使用寿命、减少消耗、降低能耗、防止污染、降低成本、改善劳动条件和提高生产率等方面都有十分重要的意义[2]。但是钛合金本身硬度较低，耐蚀性、高温抗氧化性能差，使它的应用范围受到限制[3]。对钛合金进行微弧氧化处理工艺，可以在钛合金表面原位形成陶瓷膜，提高钛合金的耐磨性及耐腐蚀性能，对钛合金进行微弧氧化处理时常常存在一定的问题，影响着微弧氧化处理的效果[4]。所以加强分析研究钛及其钛合金微弧氧化工艺存在的问题，对于其应用具有实际意义[5，6]。

2 钛合金微弧氧化工艺存在的问题

将微弧氧化技术应用于处理钛及钛合金，目前主要有交流微弧氧化技术、直流微弧氧化技术及其他技术。虽然取得了一定的发展，并向实用化迈进了一大步。但对于规模化工业应用还存在许多技术问题。一是如何降低大规模钛合金微弧氧化工艺生产的成本也是急需解决的问题。根据微弧氧化理论，对钛及钛合金进行微弧氧化处理更大表面积的零件意味着高能耗，而且生产环境危险，生产中微弧产生大量的热，需要庞大的冷却装置系统来冷却电解液，这些都增加了该技术的成本。二是钛合金进行微弧氧化处理过程中形成陶瓷膜的热力学和动力学规律还没有形成系统的理论，需要建立合理的模型来全面描述钛合金微弧氧化时陶瓷膜的形成规律，以便指导试验研究和理论分析。三是钛合金微弧氧化液的设计及优化研究较少，有关基体成分设计及成分对微弧氧化膜组织和性能的影响研究还不多。四是由于钛合金微弧氧化表面层耐污性较差，孔洞较多，钛合金基体与陶瓷膜过渡层之间有明显分层现象，氧化膜与基体结合力较差，不利于直接使用，必须进行表面涂装，目前对微弧氧化层的涂装处理研究很少，影响了钛合金微弧氧化技术的应用。

3 钛合金微弧氧化的研究方向

结合钛合金微弧氧化工艺存在的问题，钛合金微弧氧化技术的研究方向主要有以下几方面。一是如何提高钛合金微弧氧化设备产能和能源利用率问题。在微弧氧化过程中，电流效率较低，溶液热能值占总电能比例较少，大量的能量浪费在溶液升温过程，能源利用率较低，提高设备的产能和能源利用率非常重要。二是如何提高和稳定钛合金微弧氧化陶瓷膜的表面质量，解决颜色单一，难于满足多样性问题。钛合金微弧氧化工艺解决了材料的防腐蚀、耐磨损等问题，但是钛合金微弧氧化能生产出的陶瓷层颜色还比较单一，主要有有黑色、白色、灰色和咖啡色，这样就限制了它的应用，特别是当把微弧氧化技术应用到零件外观设计处理方面。三是如何解决钛合金微弧氧化膜层表面的光泽度和粗糙度问题。根据微弧放电机理，微弧氧化陶瓷层存在大量微孔，孔洞的大量存在和孔洞分布的不均匀性影响着钛合金零件表面的光泽度和粗糙度。另外，随着零件表面几何形状的变化，微弧氧化膜的孔洞半径、孔隙率、孔洞分布的均匀性、表面粗糙度也发生变化，而且表面粗糙度随着膜厚度的增加而增大，这样影响膜层表面的光泽度，限制了微弧氧化陶瓷层的应用领域。

4 钛合金微弧氧化技术的应用

钛合金微弧氧化工艺作为一种新兴的表面处理技术，正日益受到人们的重视，航空、航天工业、在机械制造业、纺织工业、民用品生产领域，微弧氧化涂层也都具有广阔的应用前景。钛及其合金微弧氧化形成的TiO2膜不但绝缘性好，而且介电常数高，可用于电子材料。TiO2具有很强的氧化性，能够高效的分解有机物，能够光催化抗菌和分解有害气体，可用于水处理和空气净化。钛及其合金微弧氧化陶瓷膜在微弧氧化过程中击穿形成的放电通道，在生物医用中可使硬组织植入材料朝内生长，因此可望较好地改善与新生骨的机械啮合。人们研究发现，钙、磷是人体硬组织的基本成分，为促进骨生长，人们在微弧氧化电解液中引入钙、磷离子，形成富含钙磷的二氧化钛薄膜，从而有效地提高生物相容性和骨诱导性，缩短愈合时间。钛及其合金微弧氧化技术可在形状复杂、线性尺寸相差很大的零件上形成均匀、坚硬的膜层，有利于防止在使用中与钛合金接触的由铜材料、钢材、其他合金制造的管道及其他船舶制造零件在海水中腐蚀，有利于提高钛及其合金的抗腐蚀性。

5 钛合金微弧氧化技术的展望

同其他钛合金表面处理技术相比，钛及其合金微弧氧化技术具有工艺简单易行、环保，处理过程对基体无有害影响等诸多优点，其发展趋势是在完善钛合金微弧氧化放电模型和膜层生长模型的基础上，将钛合金表面微弧氧化技术与其它表面处理技术相结合，以提高钛合金表面微弧氧化膜层的使用性能和应用范围。还要根据钛合金零件的性能要求，合理设计钛合金表面微弧氧化陶瓷层组成相，以获得具有耐磨、抗氧化、低摩擦系数、热阻性高的表面，获得结合强度高、性能优良的钛合金表面微弧氧化陶瓷涂层，进一步拓宽钛合金表面改性技术发展的新途径与新方法，增强钛及其合金微弧氧化的应用前景。

参考文献

[1]王瑾.面向环境的产品设计制造及应用研究[J].机械管理开发，2011，（1）：59-60.

[2]解念锁，武立志.钛合金表面微弧氧化的影响因素及其应用[J].热加工工艺，2011，40（12）：130-133.

[3]武立志，解念锁.Ti6Al4V钛合金微弧氧化工艺研究.陕西理工学院学报（自然科学版）[J].2011，27（2）：1-4.

[4]王瑾.微弧氧化对TC4钛合金耐硫酸腐蚀性能的影响[J].热加工工艺，2013，42（20）：94-96.

[5]吴云峰，杨钢，方树铭.钛合金微弧氧化影响因素及研究现状[J].热加工工艺，2013，42（8）：10-13.

[6]吴向清，谢发勤.钛合金表面微弧氧化技术的研究[J].材料导报，2005，19（6）：85-87.

作者简介：景天（1991，7-），男，汉族，陕西户县人，本科生，研究方向是金属材料工程。