基于3D打印钛合金零件表面的化学/电化学整平机理研究

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钛合金具有比强度高、耐蚀性优良和生物相容性好等优点,在航空航天、船舶、医疗、体育生活等方面具有较好的应用前景,而利用激光增材制造技术可以制造结构复杂的钛合金零部件,目前成为研究的热点。但是,由于激光增材的工艺特点,其生产出钛合金表面存在微裂纹、未熔融金属粉颗粒,导致其粗糙度大、耐腐蚀性能差等缺点,基于此,本文探究激光增材制造钛合金表面的化学和电化学整平机理,其对优化钛合金表面抛光工艺及改善其耐蚀性有着重要的理论和实际意义。
  论文研究采用化学法研究钛合金表面活性,应用电子天平和粗糙度仪分析钛合金腐蚀速率及其表面粗糙度变化;应用电化学法探讨钛合金表面整平机理,通过扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)进行表面形貌的观测及膜层成分的判定,分析了电流密度、时间、温度、阴极等因素的改变对其表面形貌、粗糙度、去除率以及电化学性能的影响;利用拉伸试验和X射线衍射法研究不同处理方式后钛合金力学性能的变化,取得如下结论:
  在化学法处理过程中,反应时间和溶液温度对钛合金表面状态和耐蚀性影响较为显著。NH4HF2溶液和HF溶液均能使钛合金表面粗糙度Ra降低1.8~2.0μm,但HF溶液对钛合金表面侵蚀较为严重,伴随着较多微小孔隙。经NH4HF2溶液光整得到的钛合金膜层腐蚀速率较小,容抗阻值较大,耐蚀性能更强;由此可确定NH4HF2溶液对钛合金光整效果更为明显,较好的工艺条件为:NH4HF2(16%)165ml·L-1,H202(30%)365ml·L-1,C6H12N4(16%-六亚甲基四胺)65ml·L-1,HNO3(65%~80%)365ml·L-1,添加剂(甘油:冰醋酸:吡啶为5∶3∶2)33ml·L-1,温度30℃,时间10min。化学处理后钛合金的抗拉强度和屈服强度要高于常规锻件水平。
  在电化学处理过程中,无水乙醇溶液和高氯酸溶液均可使钛合金表面粗糙度Ra降低9.68~10.68μm,确定了两种溶液体系较好的工艺条件。无水乙醇溶液体系的工艺条件为无水乙醇700ml·L-1,异丙醇300ml·L-1,氯化铝60g·L-1,氯化锌250g·L-1,电流密度为0.26·~0.28A·cm-2,温度30℃,时间15min。高氯酸溶液体系的工艺条件为高氯酸82ml·L-1、冰乙酸820ml·L-1、水98ml·L-1,电流密度为0.27~0.30A·cm-2,温度30℃,时间15min。对于无水乙醇溶液体系,钛合金表面侵蚀较为严重,光整效果较差,但所形成的膜层耐蚀性能较强。而对于高氯酸溶液体系,钛合金的光整效果较好,但失重率和减薄率略高。同时,电化学处理后钛合金的抗拉强度和屈服强度随抛光时间的延长而下降。
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