處于高溫狀態(tài)時(shí)，金屬材料表層能否生成均勻、致密、粘附性較好的氧化膜，是確保材料壽命與使用性能的關(guān)鍵。然而實(shí)際上，太過完美、極具保護(hù)性的氧化膜并不存在，氧化的時(shí)間越長，則氧化膜更容易發(fā)生封鎖錯(cuò)位，引發(fā)應(yīng)力，從而便會(huì)剝離、裂開、剝落，以此失去對于基體材料的保護(hù)[1]。Leyens等人通過于Ti-1100合金上噴射Ti-51Al-12Cr涂層，得知750℃高溫狀態(tài)下，涂層表面Ti(Cr,Al)相和O2相互反應(yīng)，從而生成連續(xù)地Al2O3氧化膜，其可切實(shí)降低Ti-1100合金氧化程度。Dearaaley在20世紀(jì)末通過研究發(fā)現(xiàn)，在鈦合金中添加釔，可促使鈦合金氧化程度下降，這主要是由于高溫下，釔元素所生成氧化物多數(shù)分散于晶界內(nèi)，以此降低了氧于晶界中的擴(kuò)散速率，改善了鈦合金抗氧化性能。魏東博通過雙層輝光等離子技術(shù)，于鈦合金表層制備了Ti-Cr與Ti-CrNi涂層，且深入探究了Ni含量對于抗氧化性能的影響作用，結(jié)果表明，Ti-Cr與Ti-CrNi合金層的厚度大約在25~35Rm之間，和基體的冶金結(jié)合較好，不存在孔洞。處于650?950°C時(shí)，合金層的Ni含量為40%(at.)時(shí)，Ni與O相互反應(yīng)生成連續(xù)NiO膜，處于Cr2O3膜層下方位置，既可強(qiáng)化氧化層的抗氧能力，又可提高合金層高溫抗氧化能力。宮雪等人通過電弧噴涂法，在純鈦材表面制備了鋁涂層，于800C下，持續(xù)氧化涂層64h,發(fā)現(xiàn)電弧噴涂Al涂層表面生成連續(xù)致密Al2O3氧化膜，可切實(shí)降低純鈦金屬的氧化程度[2]。基于以上研究結(jié)果，本文對體育器械用TC4鈦合金的力學(xué)性能與耐磨性能進(jìn)行了研究分析。
1、實(shí)驗(yàn)材料
選用體育器械用雙相TC4鈦合金加工件作為基體，主要成分包含：5.87%的Al、4.04%的V、0.22%的Fe、0.10%的O、0.07%的C、0.04%的N、余量Ti；以900C/1h空冷+540C/5h空冷為熱處理工藝；選用市場購置的分析純NaSiO3、67%(NaPO3)、99.8%NaOH、98%H2SO4。體育器械用TC4鈦合金通過蒸餾水進(jìn)行清洗，于68℃的12g/L碳酸鈉溶液中浸泡2min進(jìn)行除油，于頻率60kHz下進(jìn)行酒精超聲波清洗，5min之后吹干備用[3]。
2、樣品制備
2.1脈沖陽極氧化樣品制備
自制脈沖陽極氧化控制電源與處理裝置［4］如圖1所示圖1中。
1-不銹鋼槽；2-溫差電偶；3-攪拌裝置；4- 交流電源；5-樣品；6-冷卻系統(tǒng)；7-絕緣板。以不銹鋼為陰極，保持恒流模式，輸入脈沖數(shù)為500,電解液配方 具體為18g/LNa2SiO3+8g/L(NaPO3)6+1.5g/LNaOH,脈沖陽極氧化頻率為480Hz,終止電壓為300V,槽液冷 卻采用循環(huán)對流冷卻方式。脈沖陽極氧化時(shí)，體育器械用TC4鈦合金表面存在稍許氣泡。
2.2直流陽極氧化樣品制備
自制直流陽極氧化處理裝置[5]如圖2所示。
圖2中，8-陽極；9-陰極。陽極為TC4鈦合金，陰極為不銹鋼，電極間距設(shè)定為2cm。通過直流電源控制外加電壓，以180g/LH2SO4溶液為氧化液，以20℃為溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，以1A/dm2為電流密度。直流陽極氧化時(shí)，體育器械用TC4鈦合金表面存在氣泡。以嚴(yán)格把控陽極氧化時(shí)間進(jìn)行同等氧化膜厚度的樣品制備，氧化結(jié)束之后，以清水清洗干凈，并吹干備用。
3、測試方法
以粗糙度測量儀測量TC4鈦合金基體與氧化膜粗糙度；以顯微硬度計(jì)測量TC4鈦合金基體與氧化膜硬度；以電腦伺服控制材料試驗(yàn)機(jī)測試室溫拉伸性能；以高周疲勞試驗(yàn)機(jī)測試疲勞壽命，同時(shí)基于升降算法測量疲勞強(qiáng)度；以激光共聚焦顯微鏡觀察磨損的磨痕寬度與深度[6]。
4、結(jié)果分析
4.1硬度分析
TC4鈦合金基體、脈沖陽極氧化膜、直流陽極氧化膜的粗糙度與硬度[7]具體見表1。
由表1可知，脈沖陽極氧化膜與直流陽極氧化膜的粗糙度明顯大于TC4鈦合金基體；而脈沖陽極氧化膜的硬度最大，TC4鈦合金次之，直流陽極氧化膜最小，這可能是由于直流陽極氧化膜的膜層主要是疏松層。
4.2拉伸性能分析
在室溫狀態(tài)下，體育器械用TC4鈦加工件與陽極氧化樣品的拉伸性能[8]見表2。
由表2可以看岀，通過陽極氧化處理之后，樣品抗拉強(qiáng)度、塑性延伸強(qiáng)度、斷后伸長率都有所下降，而強(qiáng)度下降的關(guān)鍵在于樣品表層存在細(xì)微裂紋與孔洞等缺陷。相對于直流陽極氧化，脈沖陽極氧化對于TC4鈦合金的室溫拉伸性能造成的影響偏小，主要是由于相對直流陽極氧化膜，脈沖陽極氧化膜所含有的致密層更加厚實(shí)，并且基體表層損傷較小，在拉伸時(shí)，裂縫更加容易衍生于直流陽極氧化樣品表層，從而導(dǎo)致其室溫拉伸性能下降。
4.3疲勞性能分析
TC4鈦合金樣品、脈沖陽極氧化樣品、直流陽極氧化樣品的應(yīng)力-疲勞壽命(S-N)曲線[9]具體如圖3所示。
由圖3可以看岀，脈沖陽極氧化樣品S-N曲線與TC4鈦合金樣品高度類似，然而疲勞性能卻相對偏低；直流陽極氧化樣品S-N曲線呈現(xiàn)下降速度非常快的趨勢，其疲勞性能最差。由三種不同樣品S-N曲線可知，TC4鈦合金的疲勞強(qiáng)度控制在640~-660MPa之間；脈沖陽極氧化的疲勞強(qiáng)度控制在610~650MPa之間；直流陽極氧化樣品在疲勞強(qiáng)度控制在440~470MPa之間。通過升降算法計(jì)算獲得TC4鈦合金樣品、脈沖陽極氧化樣品、直流陽極氧化樣品的疲勞強(qiáng)度分別具體為658、633、459MPa,由此表明，脈沖陽極氧化樣品疲勞強(qiáng)度更加接近于TC4鈦合金樣品，并且相對相同氧化膜厚度的直流陽極氧化樣品，強(qiáng)度更大。
4.4耐磨性分析
在不同載荷下，TC4鈦合金樣品、脈沖陽極氧化樣品、直流陽極氧化樣品表面都岀現(xiàn)了一定的寬度與深度不同程度的磨痕，基于不同載荷的不同樣品磨損的磨痕深度與寬度[10]見表3。
由表3可知，通過陽極氧化處理之后，于相同載荷條件下，相對于基體，樣品表層磨痕深度與寬度都明顯較小，這表明表面處理可顯著提升基體耐磨性；三種樣品中，脈沖陽極氧化樣品磨痕深度與寬度最小，則耐磨性最佳。就脈沖陽極氧化樣品來講，和基體相互銜接的過渡層相對偏薄，大約占據(jù)氧化膜厚度三分之二的致密層與占據(jù)氧化膜厚度三分之一的疏松層，和基體之間并未直接實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，表面疏松層的孔洞，以及受金屬、氧化物熱膨脹系數(shù)不同影響生成微裂痕，可有效提升表面粗糙度，還可降低材料硬度，然而因?yàn)閮?nèi)部過渡層和基體的結(jié)合較完善，并且緊鄰致密層相對厚實(shí)，脈沖陽極氧化膜的硬度、塑性、耐磨性、抗疲勞性都比較高。而就直流陽極氧化樣品而言，TC4鈦合金基體在氧化時(shí)，會(huì)受硫酸槽液影響被侵蝕，從而于表面生成孔洞與裂痕，并且氧化膜大多是多孔洞疏松層，內(nèi)應(yīng)力比較大，易在受力時(shí)造成開裂，導(dǎo)致材料強(qiáng)度、耐磨性、抗疲勞性下降。
5、結(jié)論
綜上所述，TC4鈦合金以其耐腐蝕性、密度小、比強(qiáng)度高、韌性與焊接性良好等優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了在多種體育器械中的廣泛應(yīng)用，據(jù)此本文針對其力學(xué)性能與耐磨性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，TC4鈦合金基體在經(jīng)過脈沖陽極氧化與直流陽極氧化處理之后，所獲得氧化膜的粗糙度相對于基體更大，而脈沖陽極氧化膜的硬度最大，TC4鈦合金次之，直流陽極氧化膜最小；通過陽極氧化處理之后，樣品抗拉強(qiáng)度、塑性延伸強(qiáng)度、斷后伸長率都有所下降，而強(qiáng)度下降的關(guān)鍵在于樣品表層存在細(xì)微裂紋與孔洞等缺陷，相對于直流陽極氧化，脈沖陽極氧化對于TC4鈦合金的室溫拉伸性能造成的影響偏小脈沖陽極氧化樣品疲勞強(qiáng)度更加接近于TC4鈦合金樣品，并且相對相同氧化膜厚度的直流陽極氧化樣品，強(qiáng)度更大；通過陽極氧化處理之后，于相同載荷條件下，相對于基體，樣品表層磨痕深度與寬度都明顯較小，表明表 面處理可顯著提升基體耐磨性。
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