【摘 要】
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钛合金有着密度低、比强度好,良好的耐腐蚀性能以及生物相容性等优点,所以在航空航天、化工、生物医疗等行业应用广泛。如今,传统制备合金的加工技术已经很难满足现代社会快捷高效精准的需求,新型加工技术增材制造应运而生。激光粉床熔融技术就是其中之一。激光粉床熔融制备出的钛合金不仅在性能上与传统制备的钛合金不相上下,同时可以不受零件的几何形状限制,缩短加工时间并且精准性高。不过因为激光粉床熔融制备的钛合金因为
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钛合金有着密度低、比强度好,良好的耐腐蚀性能以及生物相容性等优点,所以在航空航天、化工、生物医疗等行业应用广泛。如今,传统制备合金的加工技术已经很难满足现代社会快捷高效精准的需求,新型加工技术增材制造应运而生。激光粉床熔融技术就是其中之一。激光粉床熔融制备出的钛合金不仅在性能上与传统制备的钛合金不相上下,同时可以不受零件的几何形状限制,缩短加工时间并且精准性高。不过因为激光粉床熔融制备的钛合金因为加工方法的独特性,导致其微观组织与传统钛合金不一样。由典型的Ti-6Al-4V合金举例,它本身是α+β型的双相钛合金,但是激光粉床熔融后的钛合金出现了针状马氏体α’相。这是因为在激光粉床熔融加工时的快速冷却过程,导致了β相向α相转变时的不完全。同时,激光粉床熔融制备的Ti-6Al-4V出现了点蚀现象,这将大大限制了它在各领域的应用。点蚀作为一种常见的腐蚀类型,常发生于钝化金属表面。点蚀的形成是从蚀坑成核开始,接着亚稳态点蚀形成,最后经过发展变为稳态点蚀。因为亚稳态点蚀是初期阶段,也是点蚀能否形成的关键时期,所以本文将聚焦于亚稳态点蚀进行研究。主要的研究方法则是宏观电化学测试加上微观组织表征(扫描电子显微镜、X射线衍射和X射线光电子能谱),这样将宏观点蚀规律和微观组织相结合,从而对钛合金的亚稳态点蚀机制给出一个合理解释。以下为主要研究内容:(1)在37℃的汉克斯溶液中,比较激光粉床熔融制备的Ti-6Al-4V和退火态Ti-6Al-4V的亚稳态点蚀行为差异。首先在微观组织上,激光粉床熔融制备的Ti-6Al-4V出现了针状马氏体α’相,而退火态Ti-6Al-4V则是传统的α+β型的双相钛合金。随后的静电位极化测试发现激光粉床熔融制备的Ti-6Al-4V的亚稳态点蚀较为严重,并且通过阻抗测试发现其钝化膜中的氧空位通量很大。根据点缺陷模型,氧空位很容易被溶液中的侵蚀性离子(Cl-)占据且大量消耗,从而导致大量的阳离子空位。过量的阳离子空位在金属/膜界面会凝结成为一个空洞,进而形成亚稳态点蚀。因此,激光粉床熔融制备的Ti-6Al-4V表现出更高的亚稳态点蚀。(2)在三种不同浓度(0.9 wt%,3.5 wt%和10.0 wt%)的Na Cl溶液中研究Cl-浓度对激光粉床熔融制备的Ti-6Al-4V的亚稳态点蚀的影响。静电位极化测试发现随着Cl-浓度增加,亚稳态点蚀越严重,并且点蚀成核频率也增大。同时,Cl-浓度增大,钝化膜厚度变薄,氧空位通量变大。同样根据点缺陷模型,在10.0 wt%Na Cl溶液中激光粉床熔融制备的Ti-6Al-4V生成的钝化膜最薄,且氧空位移动速度快通量大,从而有大量的阳离子空位产生。过量的阳离子空位在金属/膜界面会凝结成为一个空洞,进而形成亚稳态点蚀。(3)在三种不同p H值(p H=3,5,7)的汉克斯溶液中研究H+浓度对激光粉床熔融制备的Ti-6Al-4V的亚稳态点蚀的影响。静电位极化结果显示随着p H值降低,亚稳态点蚀现象增加,点蚀成核频率也增加。在p H为3的汉克斯溶液中,激光粉床熔融制备的Ti-6Al-4V生成的钝化膜也是最薄的。同时,酸性环境下的样品生成的钝化膜中的氧离子位点会被溶液中的Cl-和O2-竞争吸附。随着p H值降低,Cl-吸附能力也变强,此时Cl-会占据氧离子位点形成可溶性金属氯化物,使钝化膜从此位点开始慢慢变薄。
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