浸鋁層及NiTi形狀記憶合金等離子電解氧化工藝與機理研究

浸鋁層及NiTi形狀記憶合金等離子電解氧化工藝與機理研究本論文研究了Q235鋼、工業(yè)純鈦和NiTi形狀記憶合金（SMA）表面等離子體電解氧化（PEO）的工藝與機理，分析了獲得陶瓷層的微觀組織結(jié)構(gòu)、相組成與性能，主要包括以下內(nèi)容：采用熱浸鍍鋁（HDA）和PEO相結(jié)合的方法，在Q235鋼基體表面獲得一層陶瓷層。用掃描電鏡（SEM）觀察了復合膜層的斷面及表面形貌，用X-ray衍射儀（XRD）分析了陶瓷層的相組成，特別是使用透射電鏡（TEM）對陶瓷層進行了觀察和選區(qū)電子衍射；綜合分析了陶瓷層的形成過程隨PEO時間和電流密度的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上研究了陶瓷層向內(nèi)外生長的比例關(guān)系，提出了膜的形成及表面現(xiàn)象與對應(yīng)的電壓區(qū)間的關(guān)系模型；研究了陶瓷層的硬度、耐磨性能、孔隙率和耐蝕性能；對Q235鋼表面熱浸鍍鋁層PEO的反應(yīng)機理進行了分析。結(jié)果表明：（1）復合膜層由三層構(gòu)成，由內(nèi)向外依次為Fe-Al合金層、純熱浸鍍鋁層和PEO陶瓷層，各層之間達到了冶金結(jié)合，陶瓷層表面存在較多的孔洞和裂紋。隨著PEO時間的延長，陶瓷層表面顆粒變大，重熔、凝固程度增加，孔洞增大。（2）陶瓷層主要由晶態(tài)Al₂O₃相組成，并含有一定量的非晶態(tài)相。晶態(tài)Al₂O₃相包括κ-Al₂O₃、θ-Al₂O₃和β-Al₂O₃，其中β-Al₂O₃相含量最少。隨著PEO時間延長，非晶態(tài)相逐步向晶態(tài)相轉(zhuǎn)變。κ-Al₂O₃的晶體尺寸分布范圍較寬，小者不足100nm，大者超過了500nm，甚至超過了TEM衍射區(qū)尺寸，可獲得純單晶特征的衍射花樣。（3）陶瓷層的總厚度、向外生長厚度和成膜速率均隨著PEO時間的延長有一極大值，其出現(xiàn)的時間隨著電流密度的增大而縮短。當電流密度為1.5A/dm²，PEO時間為12min時，陶瓷層總厚度達到最大值，約為47.5μm。向內(nèi)生長厚度均隨著PEO時間的延長而增加。不斷增加電流密度，陶瓷層逐步由向內(nèi)生長為主轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛲馍L為主。（4）陶瓷層硬度達到了HV1300；當摩擦延長米為70m時，其耐磨性能比淬火-回火45鋼提高了2.3倍。耐NaCl溶液及海水的腐蝕能力遠優(yōu)于Q235鋼基體。通過PEO處理，在工業(yè)純鈦表面獲得一層陶瓷層。觀察了陶瓷層的表面及斷面形貌，分析了陶瓷層的相組成，研究了不同添加劑對陶瓷層耐蝕性能、表面形貌以及組成成分的影響，分析了工業(yè)純Ti進行PEO處理的工藝性。結(jié)果表明：（1）工業(yè)純Ti在含有硅酸鈉、鋁酸鈉和磷酸鈉的混合電解液中獲得的陶瓷層表面較為平整，分布著若干蜂窩狀、相互交錯的微孔，不可見裂紋。陶瓷層與基體結(jié)合緊密。（2）在混合電解液中獲得的陶瓷層主要由銳鈦礦（anatase）型TiO₂相組成。（3）電解液中的元素參與了陶瓷膜層的生成過程。陶瓷層中除含有大量Ti和O元素外，還含有微量的Al、Si、P等元素以及電解液添加劑的元素如B、Ce等。（4）稀土元素Ce的添加，使陶瓷層中Al、Si、O、P的含量明顯增多，陶瓷層耐10%H₂SO4溶液腐蝕的性能顯著提高。采取表面去鎳腐蝕前處理工藝與PEO相結(jié)合的方法，在NiTiSMA表面獲得一層陶瓷層。對比研究了未進行去鎳腐蝕、分別經(jīng)硝酸溶液、H₂O:HNO₃:H₂SO₄=5:4:1（V）溶液和王水選擇性腐蝕處理后NiTiSMA試樣的表面形貌及其進行PEO處理的工藝性。分析了前處理工藝對陶瓷層表面形貌、成分以及相組成的影響。結(jié)果表明：（1）NiTiSMA直接進行PEO處理，工藝性很差，表面去鎳腐蝕前處理工藝能夠顯著改善NiTiSMA的PEO工藝性。在常溫王水中選擇性腐蝕10min后獲得的試樣，進行PEO處理的工藝性最好，電流—時間曲線與工業(yè)純Ti在同一PEO條件下最為接近。（2）適合于NiTiSMA進行PEO處理的穩(wěn)定電解液成分為：磷酸鈉5g/L，鋁酸鈉5g/L，硅酸鈉5g/L，二氧化鈦1g/L，雙氧水5mL/L。（3）NiTiSMA表面陶瓷層的主要成分為Ti、Al、O、P、Si等元素，相組成主要是銳鈦礦型TiO₂相。延長在王水中的去鎳選擇性腐蝕時間，陶瓷層中銳鈦礦型TiO₂相增多。（4）經(jīng)王水腐蝕1