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本论文研究了Q235钢、工业纯钛和NiTi形状记忆合金(SMA)表面等离子体电解氧化(PEO)的工艺与机理,分析了获得陶瓷层的微观组织结构、相组成与性能,主要包括以下内容:采用热浸镀铝(HDA)和PEO相结合的方法,在Q235钢基体表面获得一层陶瓷层。用扫描电镜(SEM)观察了复合膜层的断面及表面形貌,用X-ray衍射仪(XRD)分析了陶瓷层的相组成,特别是使用透射电镜(TEM)对陶瓷层进行了观察和选区电子衍射;综合分析了陶瓷层的形成过程随PEO时间和电流密度的变化规律,在此基础上研究了陶瓷层向内外生长的比例关系,提出了膜的形成及表面现象与对应的电压区间的关系模型;研究了陶瓷层的硬度、耐磨性能、孔隙率和耐蚀性能;对Q235钢表面热浸镀铝层PEO的反应机理进行了分析。结果表明:(1)复合膜层由三层构成,由内向外依次为Fe-Al合金层、纯热浸镀铝层和PEO陶瓷层,各层之间达到了冶金结合,陶瓷层表面存在较多的孔洞和裂纹。随着PEO时间的延长,陶瓷层表面颗粒变大,重熔、凝固程度增加,孔洞增大。(2)陶瓷层主要由晶态Al2O3相组成,并含有一定量的非晶态相。晶态Al2O3相包括κ-Al2O3、θ-Al2O3和β-Al2O3,其中β-Al2O3相含量最少。随着PEO时间延长,非晶态相逐步向晶态相转变。κ- Al2O3的晶体尺寸分布范围较宽,小者不足100 nm,大者超过了500 nm,甚至超过了TEM衍射区尺寸,可获得纯单晶特征的衍射花样。(3)陶瓷层的总厚度、向外生长厚度和成膜速率均随着PEO时间的延长有一极大值,其出现的时间随着电流密度的增大而缩短。当电流密度为1.5A/dm2,PEO时间为12 min时,陶瓷层总厚度达到最大值,约为47.5μm。向内生长厚度均随着PEO时间的延长而增加。不断增加电流密度,陶瓷层逐步由向内生长为主转变为向外生长为主。(4)陶瓷层硬度达到了HV 1 300;当摩擦延长米为70 m时,其耐磨性能比淬火-回火45钢提高了2.3倍。耐NaCl溶液及海水的腐蚀能力远优于Q235钢基体。通过PEO处理,在工业纯钛表面获得一层陶瓷层。观察了陶瓷层的表面及断面形貌,分析了陶瓷层的相组成,研究了不同添加剂对陶瓷层耐蚀性能、表面形貌以及组成成分的影响,分析了工业纯Ti进行PEO处理的工艺性。结果表明:(1)工业纯Ti在含有硅酸钠、铝酸钠和磷酸钠的混合电解液中获得的陶瓷层表面较为平整,分布着若干蜂窝状、相互交错的微孔,不可见裂纹。陶瓷层与基体结合紧密。(2)在混合电解液中获得的陶瓷层主要由锐钛矿(anatase)型TiO2相组成。(3)电解液中的元素参与了陶瓷膜层的生成过程。陶瓷层中除含有大量Ti和O元素外,还含有微量的Al、Si、P等元素以及电解液添加剂的元素如B、Ce等。(4)稀土元素Ce的添加,使陶瓷层中Al、Si、O、P的含量明显增多,陶瓷层耐10% H2SO4溶液腐蚀的性能显著提高。采取表面去镍腐蚀前处理工艺与PEO相结合的方法,在NiTi SMA表面获得一层陶瓷层。对比研究了未进行去镍腐蚀、分别经硝酸溶液、H2O:HNO3:H2SO4=5:4:1(V)溶液和王水选择性腐蚀处理后NiTi SMA试样的表面形貌及其进行PEO处理的工艺性。分析了前处理工艺对陶瓷层表面形貌、成分以及相组成的影响。结果表明:(1) NiTi SMA直接进行PEO处理,工艺性很差,表面去镍腐蚀前处理工艺能够显著改善NiTi SMA的PEO工艺性。在常温王水中选择性腐蚀10 min后获得的试样,进行PEO处理的工艺性最好,电流—时间曲线与工业纯Ti在同一PEO条件下最为接近。(2)适合于NiTi SMA进行PEO处理的稳定电解液成分为:磷酸钠5 g/L,铝酸钠5 g/L,硅酸钠5 g/L,二氧化钛1 g/L,双氧水5 mL/L。(3) NiTi SMA表面陶瓷层的主要成分为Ti、Al、O、P、Si等元素,相组成主要是锐钛矿型TiO2相。延长在王水中的去镍选择性腐蚀时间,陶瓷层中锐钛矿型TiO2相增多。(4)经王水腐蚀10 min的NiTi SMA试样,其腐蚀均匀性最好,出现了类似海绵状的腐蚀结构。腐蚀后的NiTi SMA进行PEO处理,获得的陶瓷层质感很好,表面存在较多蜂窝状微孔,能够增强羟磷灰石等生物活性剂的附着能力。