[发明专利]一种TC4钛合金微弧氧化Cr2O3复合膜

说明书

一种TC4钛合金微弧氧化Cr2O3复合膜，在硅酸钠‑六偏磷酸钠体系中添加1.5 g/L Cr2O3微粒，采用直流脉冲模式在TC4钛合金表面制备了微弧氧化Cr2O3复合膜。复合膜的表层孔隙中填满了微小的Cr2O3颗粒，表面只能看到少量微孔；膜层中除了金红石及锐钛矿Ti0₂相、A1₂Ti0₅相外，还出现了大量的Cr2O3相，且包含了一些非晶态的P、Ai化合物。在相同的摩擦磨损条件下，微弧氧化Cr2O3复合膜的摩擦系数更小、磨损量更低、耐磨性也更好。在10N载荷下，复合膜只发生轻微的粘着磨损；在50N载荷下，复合膜的磨粒磨损有所加剧，且出现了第二相粒子流失。Cr2O3颗粒主要通过对微弧氧化膜孔隙的填充作用、载荷转移作用及弥散强化作用，来降低复合膜的摩擦系数和表面磨损量，提高其耐磨性。

所属技术领域

本发明涉及一种钛合金材料，尤其涉及一种TC4钛合金微弧氧化Cr2O3复合膜。

背景技术

钛合金作为轻质金属结构材料，由于其比强度高、耐蚀性良好，而广泛地应用于航空航天领域。但钛合金的硬度较低、耐磨性较差，在使用中易产生“钛火”故障，这些严重影响了钛合金的使用安全性。微弧氧化作为一种新兴表面处理技术，能在钛合金表面原位生长一层陶瓷膜；该膜层能够显著降低钛合金的摩擦系数，提高其强度，改善其耐磨性。但微弧氧化膜表面的多孔形态会导致摩擦系数不稳定，耐磨效果不理想。

鉴于电镀、化学镀、阳极氧化等技术能将耐磨性颗粒(A1₂0₃、SiC、金刚石等)引入到金属基膜层中，制备出比单一金属膜层硬度更高、耐磨性更好的复合膜。据此，通过在电解液中加入耐磨性颗粒Cr2O3制备出了富含Cr2O3的微弧氧化复合膜。

发明内容

本发明的目的是为了改善钛合金的耐磨性，设计了一种TC4钛合金微弧氧化Cr2O3复合膜。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

TC4钛合金微弧氧化Cr2O3复合膜的制备原料包括：实验采用TC4钛合金，其主要成分为5.50-6.80%Al、3.50-4.50%V、余量为Ti。试样尺寸为西31.7mm×3mm。氧化前试样经240#-1000#砂纸依次打磨，并在丙酮中超声波除油20min，以除去油污和自然氧化膜；之后采用JYW-50交流微弧氧化电源进行氧化处理。其中以不锈钢槽作阴极，试样作阳极，钛丝为夹具。

TC4钛合金微弧氧化Cr2O3复合膜的制备步骤为：微弧氧化采用直流脉冲方式，电流密度为8A/dm²，频率为500Hz，占空比为60％，氧化时间为20min。电解液主要由8g/L硅酸钠、6g几六偏磷酸钠及1.5g/L铝酸钠组成，并添加1.5g/L平均粒度为2μm的Cr2O3微粒。氧化过程中，为了保证成膜质量，提高Cr2O3粒子的吸附能力，需要采用机械搅拌装置和循环冷却系统来加强传质和降低电解液温度，氧化温度应控制在50℃以下。

TC4钛合金微弧氧化Cr2O3复合膜的检测步骤为：氧化后，采用Bmker D8-Advance型X射线衍射仪(XRD)分析膜层物相结构；用QUANTA-200型扫描电子显微镜(SEM)观察膜层表面微观形貌；用英国牛津公司的INCA型能谱仪(EDS)分析膜层表面成分。在25℃的环境中，利用MM、IV-1A立式万能摩擦磨损试验机测定微弧氧化膜的摩擦磨损性能；摩擦副为45#钢(28mm×12mm)，转速为80r/min，载荷为10、50 N，磨损时间为20 min，摩擦系数由试验机自动记录，每秒采集1次；采用XJP-6A型光学显微镜(OM)观察试样的磨损形貌。摩擦磨损前后，试样在乙醇中超声清洗10min，风干后用Sartorius CP225D型电子分析天平(精度为0.01 mg)测定试样质量，磨损量记为磨损前试样质量减去磨损后试样质量。

本发明的有益效果是：