钛合金以其比强度高、生物相容性好等优点被广泛应用于航空、航天、医疗等领域,但耐磨性差、硬度低限制了钛合金的应用。微弧氧化技术为解决这些问题提供了一个很好的思路。本文选用应用最广泛的TC4钛合金为基体材料,研究工艺参数对TC4钛合金微弧氧化膜结构和性能的影响,为钛合金氧化膜投入产业应用提供一定的理论依据,拓宽钛合金的应用范围。本文采用恒定电流模式在Na2SiO3和Na3PO4为主盐的电解液中对TC4钛合金进行微弧氧化,研究了电流密度、氧化时间和Na2SiO3浓度对膜层结构和性能的影响。利用涡流膜层测厚仪、显微维氏硬度计分别研究了膜层的厚度和硬度,利用SEM、XRD、EDS研究了膜层的微观形貌、相组成、化学组成,利用电化学工作站研究了膜层的耐蚀性,利用球-盘摩擦磨损试验机和EDS研究了膜层的耐磨性能。在优选工艺参数的基础上添加C3H8O3,并利用上述设备研究了C3H8O3对膜层硬度、厚度、相结构、表面形貌和耐蚀性的影响。最后,本文结合试验结果对微弧氧化膜层形成过程进行了初步的探讨。实验结果表明:随着氧化时间增加,膜层的厚度不断增大,最大达到25.0μm,膜层表面粗糙度不断增大。随着电流密度和Na2SiO3浓度的增加,膜层都呈先变致密后变粗糙的趋势。厚度随电流密度的增大而增大,而随Na2SiO3浓度的增加呈先增大后减小的趋势。XRD图谱分析表明,增大电流密度和氧化时间使膜层中的金红石型TiO2含量增加,相比改变Na2SiO3浓度,能更明显地改变相组成。氧化时间由30min增加到40min,金红石型TiO2含量增加,硬度提高;氧化时间由40min增加到50min,膜层致密性降低,硬度降低。增大Na2SiO3浓度,硬度的趋势和增大氧化时间的相同。随着电流密度的增加,膜层硬度不断增大。随着氧化时间的增加,膜层硬度提高使耐磨性增强,当氧化时间为50min,膜层硬度降低、表面粗糙程度增加使耐磨性降低。增加电流密度,膜层的硬度和致密度增大,耐磨性提高,当电流密度增加到14A/dm2,膜层疏松层增加,耐磨性降低。增加Na2SiO3浓度,膜层表面的粗糙程度降低,耐磨性提高,当Na2SiO3浓度增加到6g/L时,膜层中的Na2SiO3含量升高,使粘着磨损加剧,耐磨性降低。膜层极化曲线分析结果表明,增大氧化时间,膜层的自腐蚀电流密度由7.62×10-7A/cm2减小到3.91×10-7A/cm2,后增大到6.82×10-7A/cm2,耐蚀性先增大后减小,增大电流密度表现出相同的规律。而随着Na2Si03浓度的提高,膜层自腐蚀电流密度由9.16×10-8A/cm2增大到1.72×10-7A/cm2,耐蚀性不断降低。增大C3H8O3浓度使膜层的硬度和厚度均表现出先增大后减小的趋势。从微观形貌可知,C3H8O3能够减轻尖端放电效应,防止膜层边缘被烧蚀。膜层的均匀性随C3H8O3浓度提高呈现先升高后降低的趋势。XRD图谱分析结果表明,C3H8O3并不能改变膜层的相结构。极化曲线分析结果表明,随着C3H8O3浓度的增大,膜层的自腐蚀电流密度由5.59×10-7A/cm2降低到2.54×10-8A/cm2,当C3H8O3浓度为6ml/L时,膜层的自腐蚀电流密度增大到2.43×10-7A/cm2,膜层的耐蚀性表现为先增大后减小。C3H803能够使膜层表面的含Si离子浓度增大,提供更多的放电中心,使膜层生长速度加快、致密度提高,改善膜层性能。但是,C3H8O3浓度过高,膜层性能下降。对试验数据进行多项式拟合,得出膜层生长动力学曲线:T=-4.577+1.322t-0.0148t2,并通过了 F检验和t检验。从曲线中可以得知:在微弧氧化膜层的生长过程中,生长速率不断下降。微弧氧化初始阶段,作用于膜层表面的电场强度大于1.26×108V/m,膜层阻挡层生长,当大于击穿电场时,开始起弧。起弧后,由于边缘位置具有更高的电场和界面能,发生边缘放电效应。从热力学的观点看,膜层中可能存在不饱和氧化物和AlPO4。