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采用硫酸-磷酸和磷酸钠-钨酸钠两种电解液体系,在Ti6Al4V表面制备微弧氧化膜,分别对两种电解液体系中各组分浓度以及电参数对膜层厚度的影响进行了研究。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)对膜层的微观组织结构和成分进行分析,用摩擦磨损测试机测试膜层在滑动条件下的摩擦性能。
结果表明,电流密度为10A/dm2,氧化时间15min时,硫酸-磷酸体系中制备的膜层由TiO2(锐钛矿相和金红石相)组成,并有少量非晶态化合物TiO2-x(0.02<x<0.07)。磷酸钠-钨酸钠体系中制备的膜层由锐钛矿、金红石以及大量非晶态化合物TiO2-x组成。微弧氧化膜层内层致密,外层疏松,表面多微孔。膜层结构沿截面方向可分为3层:过渡层、致密层与疏松层。经EDS元素分析后可知,硫酸-磷酸溶液中的P和磷酸钠-钨酸钠溶液中的P、W进入了膜层参与成膜。
硫酸-磷酸体系中,硫酸在膜层形成过程中用于增强溶液的导电性能;磷酸浓度在10~50ml/L范围内,膜层厚度从10.1μm增加到18.8μm,磷酸浓度超过30ml/L,膜层表面变得粗糙;柠檬酸具有使电弧分布均匀,整平膜层的作用。
磷酸钠-钨酸钠体系中,钨酸钠浓度对膜层厚度影响不大;磷酸钠浓度在5~20g/L范围内,膜层厚度从12.6μm增加到23.3μm;酒石酸能够起到良好的整平效果,浓度在4~6g/L范围内,膜层厚度从11.8μm增加到14.4μm。
交流脉冲参数对膜层的表面形貌和组织结构有着重要影响。占空比在10~80%范围内变化时,两种体系中制备的膜层表面均随占空比的增加而变粗糙,表面微孔增大,膜层的TiO2含量增加;频率在50Hz~800Hz范围内变化时,膜层随频率的增加而减薄,微孔缩小,膜层的各相相对含量与频率无关。
峰值电流密度10A/dm2时,交流脉冲制备的膜层,其表面比直流处理平整。交流脉冲微弧氧化能够有效地避免膜层表面微裂纹的产生。
在滑动干摩擦条件下,Ti6Al4V表面的微弧氧化膜层能够有效改善摩擦性能。在磷酸钠-钨酸钠体系中制备的膜层含有大量非晶态不饱和氧化物TiO2-x,可以提高膜层表面的耐磨和摩擦性能。在硫酸-磷酸体系和磷酸钠-钨酸钠体系中氧化10min后的膜层摩擦系数分别为0.2~0.25和0.1~0.2。钨酸钠浓度大于10g/L时,膜层的摩擦系数上升。