TA2纯钛阳极氧化薄膜的制备及其耐腐蚀性能研究

发布时间：2020-05-26 17:27

【摘要】：钛及钛合金优异的耐蚀性与其表面形成的氧化薄膜有很大关系。自然条件下形成的氧化膜薄且不均匀,其上方的薄弱点容易成为腐蚀的起源。阳极氧化技术可以在钛及钛合金表面形成一层相较于自然氧化膜更致密、更厚的阳极氧化膜,是一种广泛用于增加膜层厚度及耐蚀性的方法。阳极氧化膜的厚度、均匀度等特性都与阳极氧化过程的各种氧化条件及参数有重要关系,而这些特性又反过来影响阳极氧化薄膜的耐腐蚀性能。然而,不同电解液体系中,各种阳极氧化参数对氧化薄膜耐腐蚀性能的影响并不是十分明确。因此,有必要了解各种参数和条件对阳极氧化薄膜的影响,这对于制备出具有预期结构和性能的钛阳极氧化薄膜具有重要意义。本论文分别在硫酸电解液、酒石酸钠电解液及氟化铵乙二醇电解液中制备了钛阳极氧化薄膜。运用SEM、AFM、XPS、拉曼测试及电化学测试手段对氧化膜进行系统表征,得出了钛阳极氧化薄膜的形成过程。在此基础上,研究了不同电解液体系中电位、电解液浓度、时间对氧化薄膜耐腐蚀性能影响规律;进一步对比了三种电解液体系中形成的氧化膜的耐蚀性;最后简要分析阳极氧化膜在NaCl溶液中的腐蚀过程。研究结果表明,阳极氧化膜是在很短的时间内形成的。氧化膜的形成是一个动态的生长与溶解的过程,膜层内的离子电流和电子电流分别导致了氧化膜的生长与溶解。电子电流的出现意味着氧气的释放,氧气泡的逸出可以作为孔洞的胚胎,进而形成多孔氧化膜。纳米管薄膜是在多孔膜的基础上自组织有序生长的。硫酸电解液中,随着氧化电位的增加,氧化膜的耐蚀性提高。高电位50 V条件下获得的氧化膜氧化程度较高,具有最大的厚度计算值64 nm,对膜层的保护作用较好。酒石酸钠电解液中,电解液浓度过高,溶质离子发生聚集,膜层整体氧化程度不均匀;电解液浓度过低,氧化膜的生长不完全;二者都将导致氧化膜的耐腐蚀性能降低。20 min,15 g/L浓度下获得的阳极氧化膜组织细小、均匀,粗糙度低,膜层生长完整,具有最宽的钝化区间(0V～4 V),耐蚀性最佳。氟化铵乙二醇电解液中,添加少量盐酸后,加快了化学刻蚀速率,避免了纳米管无限延伸造成的管口堵塞现象,形成了多孔钛纳米管阵列双层结构的氧化薄膜。纳米管的管壁上薄下厚,呈“V”字形分布,对钛基体具有更好的保护作用。对三种电解液中形成的氧化膜进行了膜层形貌及耐蚀性比较,硫酸电解液中形成多孔状的氧化膜;酒石酸钠溶液中获得的氧化膜表面呈破裂及花瓣状鼓包组织;氟化铵电解液中获得多孔钛纳米管阵列的双层结构形貌的氧化膜。酒石酸钠电解液中获得的氧化膜较其他两个电解液中形成的氧化膜更致密,耐蚀性更好,氧化膜的极化电阻值可达3.38×10~6Ω,对基体具有更好的保护作用。钛阳极氧化物薄膜在NaCl水溶液中的腐蚀与Cl-有密切关系,氧化膜表层存在的一些缺陷(如凹坑)将会首先受到Cl-的侵入破坏,导致腐蚀孔洞的形成。当临近的孔洞由于腐蚀相互连通时,就形成了微裂纹。
【图文】：

过程图,孔状,氧化膜,过程图

Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｏｘｙｇｅｎ邋ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｐｏｒｏｕｓ邋ｏｘｉｄｅ邋ｆｉｌｍ逡逑通过电子电流理论解释清楚了电流－时间变化曲线图。接下来将通过氧气泡模逡逑型模拟多孔氧化膜的生成过程。图１．４中的第１阶段，由于电子电流产生，导致逡逑电流密度的下降趋势减慢，氧气出现并有向外逸出的趋势。尽管总电流中有一部逡逑分是电子电流，但仍然还是离子电流占主导；氧气泡逸出的同时氧化物也在生长，逡逑这样就会造成氧化膜围绕氧气泡在生长（第２阶段）。到了第３阶段，氧气泡完全逡逑逸出，电解液进入氧气留下的模具内，在电解液的作用下形成孔洞胚胎。进入第逡逑４阶段，，孔洞胚胎长大形成微孔。逡逑１．３．２钛纳米管阳极氧化薄膜的形成机理逡逑在含氟离子的溶液中，对钛和铀电极施加电压，将形成钛纳米管薄膜。阳极逡逑氧化法制备钛纳米管薄膜的电解液体系大致历经了四代。第一代是直接采用含氢逡逑氟酸的水溶液作为电解液，此种方法因氢氟酸具有较强的溶解作用导致得到的纳逡逑米管阵列长度较为有限。第二代是以氟化盐水溶液替代氢氟酸作为电解液

阳极氧化膜,恒电位,表面形貌,形貌

第一章绪论逡逑人研宄发现在１８０邋Ｖ以上的高电压下得到多孔状形貌的阳极氧化膜，在１３０邋Ｖ电逡逑位下得到沟渠状的膜层形貌，如图１．７。不同的形貌将影响膜层的耐腐蚀性能，逡逑孔隙率较低、较厚的膜层对应更好的耐蚀性［１８］。王建民等人在氢氧化钠电解液中逡逑研宄了电位和ＮａＦ浓度对钛合金阳极氧化膜性能的影响。结果表明：随着电压和逡逑ＮａＦ浓度的升高，氧化膜的厚度和耐腐蚀性也随之增大［３３］。师秀萍等人［３４］研究了逡逑钛的磷酸阳极氧化工艺，实验表明电压为影响氧化膜颜色及形貌的主要因素。李逡逑玉海等人［３５］进行了邋ＴＡ２纯钛材阳极氧化着色工艺的研宄，结果表明电位是决定膜逡逑层颜色的主要因素，升高或者降低电位可以得到不同颜色的膜层；电位较低时，逡逑每升高几伏就有相对明显的色泽变化；随着电位的升高，需要加更大的电压才能逡逑观察到明显的色泽变化。膜层的颜色与膜层的厚度密不可分，同时膜厚度又决定逡逑了膜层的机械性能及使用性能。逡逑许多的研宄者分析了阳极氧化电位对膜层的影响得出了相似的结果：电压是逡逑影响氧化膜形貌表征及性能的最主要因素，电位越大，膜层越厚，其耐腐蚀性能逡逑也随之提高。逡逑１０邋｜．ｉｍ逦５邋｜ｊ．ｍ逡逑图１．７恒电位模式下获得的阳极氧化膜的表面形貌图（ａ）邋１３０邋Ｖ
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG174.4

【参考文献】