表面阳极氧化处理Ti-Al系合金的微观组织结构及性能研究

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本文利用真空非自耗电弧熔炼炉制备了包括Ti3Al、TiAl、TiAl3三种金属间化合物在内的一系列Ti-Al系合金的纽扣锭,并通过均匀化退火使纽扣锭成分更加均匀。在NaOH-H2O2体系和H2SO4-HF体系中,通过阳极氧化处理,分别在Ti-Al系合金表面获得了有序多孔阳极氧化层。研究了不同阳极氧化工艺对多孔阳极氧化层的多孔结构及厚度的影响,分析了Ti3Al表面纳米管阵列层的形成机理,探讨了三种金属间化合物表面多孔阳极氧化层的成分及相组成。对在H2SO4-HF体系中阳极氧化处理后的部分试样分别在700℃、800℃静态空气中进行高温循环氧化实验,研究了不同阳极氧化工艺对基体抗氧化性能的影响,分析了高温氧化后试样的表面及横截面形貌,阐述了有序多孔阳极氧化层的抗氧化性机理。在NaOH-H2O2体系中对Ti3Al、TiAl、TiAl3三种金属间化合物进行阳极氧化处理,在30V电压下,三种金属间化合物表面均形成了具有双层多孔结构的阳极氧化层,表层为三维、连续、开口的纳米多孔结构,里层为有序排列的纳米孔,氧化层主要由Al、TiO2、Al2O3和Al(OH)3组成。在60V电压下,只有TiAl表面形成有序多孔结构的阳极氧化层,阳极氧化时间为15min时,阳极氧化层由平均尺寸为103nm的亮白色纳米管阵列构成,随着时间的增加,纳米管阵列层逐渐被平均孔径为438nm的有多孔结构取代。在H2SO4-HF体系中阳极氧化处理后,获得两种结构不同的多孔阳极氧化层,Ti3Al表面阳极氧化层为纳米管阵列结构,其余Ti-Al合金表面的阳极氧化层均为有序多孔结构。多孔阳极氧化层的单管(孔)直径随电压的增加而线性增加,随着Al含量的增加而减小。多孔阳极氧化层的厚度主要与电压、时间和温度有关,随电压、时间和温度的增加而增加,最大厚度可达到1.4μm。三种金属间化合物表面多孔氧化层主要由TiO2和Al2O3组成,随着Al含量的增加,氧化层中Al2O3所占比例增加。700℃静态空气中,阳极氧化处理后的Ti3Al和TiAl试样的抗氧化性能均得到了明显的提升。800℃静态空气中,阳极氧化处理对Ti3Al基体抗氧化性能的提升效果并不明显。对于TiAl金属间化合物,除了0%HF处理试样外,其余阳极氧化试样均表现出了良好的抗氧化性能。其中,50V处理试样的抛物线斜率常数(Kp)约为未处理试样的1/1024。1h处理试样的Kp值约为未处理试样的1/221。0.35%HF处理试样的Kp值约为未处理试样的1/3320。抗氧化的提升主要由F-效应和多孔结构在高温时发生致密化所致。
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