CN105256357B - 一种磷酸电解质溶液中阳极氧化表面处理提高tc4钛合金阻尼性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速成膜阳极氧化表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的方法，通过对TC4钛合金的表面处理提高其阻尼性能。采用0.3mol/L的磷酸溶液作为电解质溶液，氧化时间100‑300s，在TC4钛合金表面快速形成氧化膜。本发明方法表面处理后的TC4合金与未处理的TC4合金的阻尼性能进行对比，TC4合金的阻尼系数为0.0034，通过阳极氧化表面处理技术有效地提高TC4钛合金的阻尼系数，合理的阳极氧化工艺可以使TC4合金的阻尼性能提高5倍以上。

Description

一种磷酸电解质溶液中阳极氧化表面处理提高TC4钛合金阻 尼性能的方法

技术领域

本发明属于钛合金表面处理技术领域，尤其涉及一种通过阳极氧化表面处理提高TC4钛合金阻尼性能的技术。

背景技术

振动和噪声这两个伴随飞速发展的现代工业而来的问题愈来愈引起人们和科学研究者的关注。由于它们的存在，机器零件运行的可靠性、稳定性得不到保障，影响人类的生活质量和健康。振动和噪声由工业发展带来，却在一定程度和范围内限制了工业的进步和发展，尤其是在一些高技术领域，例如航空、航天以及航海等。研究表明，振动和噪声问题是三分之二的火箭卫星生效故障的源头。飞机才长时间的服役过程中，有些对飞机飞行可靠性和寿命产生影响的问题：方向舵和机尾罩的裂纹萌生，空速管断裂和机舱噪音大等问题经常是由于振动原因造成的。军用潜艇在工作过程中的振动和噪音问题的存在，不仅影响自身导航的稳定系，而且容易使自己被敌人发现。噪声已经作为一种环境污染，对人身体的健康有很多不利的影响。噪声可能会引起人体大脑神经中枢和植物性神经的某些平衡或功能紊乱。因此振动和噪音的控制已经成为各行各业急需解决的一个重要的问题。

钛及钛合金因其密度小，强度高，耐腐蚀性能好，耐热性能高，，在航空航天、石油化工、造船、汽车，医药等部门都得到成功的应用，目前TC4钛合金是应用最广泛的钛合金。在航空航天领域中TC4在飞机的发动机的风扇、压气机盘以及其叶片的制造中均有广泛的使用，整个飞机舱体结构中极为关键的载重部件比如舱体机身的横梁、框架以及舱体中的接头等等均离不开TC4的使用，因此TC4的性能是和整个飞机在行驶过程中的安全是息息相关的。

TC4是一种两相合金，因此其阻尼机制应该为复相型的阻尼机制，即样品在载荷作用下发生振动变形时，基体α相由于强度高产生弹性变形，弥散相β相强度相对较低则产生塑性变形从而导致能量的耗散，从而产生阻尼效应。但由于在振动中β相强度虽然比α相相对低，但其强度实际上也是较高的，因此振动时无论是α相还是β相，两者的变形都不明显，对能量的耗散是较少，因此TC4具有钛合金普遍存在的阻尼性能较低的缺点，当机械构件受到外界的激励将产生振动和噪声，宽频带随机激励会引起结构的多振动峰效应，会造成电子器件仪器零件等失效失灵，因此在航空航天等等领域均存在着大大小小的由噪音以及振动所带来的问题，由卫星火箭等的失效事件数据来看，其中因为振动所带来的失效已达到了60％，比如很多飞机中常见的问题飞机尾罩裂纹萌生、机舱噪音等等，作为在航天航空中普遍使用的合金材料，如果其阻尼性能过低是不能满足日益严重的振动噪音问题的，因此TC4钛合金阻尼性能过低可能会直接造成飞机由于振动所产生的失事，通过各种改性手段改善TC4阻尼性能是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的是利用阳极氧化技术快速形成T在TC4钛合金表面成膜，通过改性手段改善TC4阻尼性能。

本发明的目的是通过如下的手段实现的：

一种快速成膜阳极氧化表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的方法，通过对TC4钛合金的表面处理提高其阻尼性能,采用0.3mol/L的磷酸溶液和330g/LH2SO4+60g/LHCl+15g/LNH4F溶液作为电解质溶液，氧化时间100-300s，在TC4钛合金表面快速形成氧化膜。

本发明方法通过阳极氧化技术在TC4合金表面形成一层厚度在纳米或微米数量级的薄膜，由于氧化膜与基体是属于不同的材料，故两者的各种性能也是不相同的，氧化膜的减振来源可能主要分为以下几个方面：在钛合金表面形成的氧化膜内，存在晶体类型的钛的氧化物。氧化物晶粒尺寸一般都要小于1个微米，甚至是纳米尺寸的。由于晶体和非晶界面在应力作用下的相互作用，导致材料的内耗增加；由于TC4中Al和V等元素的存在，在阳极氧化过程中，也会形成其对应的氧化物。其在应力作用下，与钛的结晶态和非晶态氧化物的相互作用，也是材料内耗值增加的原因；在钛的阳极氧化薄膜最外侧的二氧化钛层和基体之间存在钛的次价氧化物过渡层。由于不同物质的弹性模量的不同，在应力作用下，必将产生不同的应变应答，相互作用，从而造成材料的内耗增加。将表面处理后的TC4合金与未处理的TC4合金的阻尼性能进行对比，TC4合金的阻尼系数为0.0034，通过阳极氧化表面处理技术可以有效地提高其阻尼系数，合理的阳极氧化工艺可以使TC4合金的阻尼性能提高5倍以上。

附图说明

图1是氧化时间为100秒的TC4合金阻尼因子。

图2是氧化时间为200秒的TC4合金阻尼因子。

图3是氧化时间为300秒的TC4合金阻尼因子。

具体实施方式

本发明的制备方法包括如下步骤：

(1)材料选用TC4钛合金棒材料作为原始材料，TC4钛合金棒的化学成分如表1所示。

表1 TC4化学成分

TC4钛合金试样经阳极氧化工艺之后在其表面形成一层氧化物膜层。其主要的电化学反应为Ti→Ti²⁺→Ti³⁺→TiO₂。在不同的阳极氧化工艺下，试样表面形成厚度不同的氧化膜。膜表面反射光和氧化膜/金属基体界面反射光发生干涉形成不同的色彩。在快速成膜的阳极氧化工艺中，0.3mol/L的H3PO4电解液中，作为变量的是阳极氧化时间，最后所有试样基本都是紫色的，只是随着阳极氧化时间的延长，紫色在不断加深；在缓慢成膜的阳极氧化工艺中，虽然控制的是实验过程的电流，但是不同的电流下阳极氧化所能达到的最大电压是不同的，所以不同的试样也获得了不同的颜色。

过程中采用JN-1葛式扭摆仪测试表征阻尼性能。试样经线切割加工长宽高为1.5mm x1.5mm x60mm的正方形截面的合金丝，进行阻尼性能的测试，主要变量为应变振幅，测定内耗与应变振幅之间的关系，阻尼结果用品质因子的倒数Q^-1来表征。

实施例1：

TC4钛合金试样在0.3mol/L的H3PO4溶液中进行阳极氧化，氧化时间为100秒，测试其阻尼性能如图1，其阻尼因子是未进行阳极氧化处理的TC4合金的4倍。

实施例2：

TC4钛合金试样在0.3mol/L的H3PO4溶液中中进行阳极氧化，氧化时间为200秒，测试其阻尼性能如图2，其阻尼因子是未进行阳极氧化处理的TC4合金的5.5倍。

实施例3：

TC4钛合金试样在0.3mol/L的H3PO4溶液中中进行阳极氧化，氧化时间为300秒，测试其阻尼性能如图3，其阻尼因子是未进行阳极氧化处理的TC4合金的3倍。

Claims (3)

1.一种快速成膜阳极氧化表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的方法，通过对TC4钛合金的表面处理提高其阻尼性能，其特征在于：采用0.3mol/L的磷酸溶液作为电解质溶液，氧化时间100-300s，在TC4钛合金表面快速形成氧化膜；TC4合金各组分按重量百分比组成为：

Al 5.8wt.％、V 4.2wt.％、Fe 0.30wt.％、N 0.05wt.％、C 0.10wt.％、H 0.01wt.％、O0.20wt.％，余量为Ti。

2.如权利要求1所述的通过阳极氧化表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的技术，其特征在于：采用0.3mol/L的磷酸溶液作为电解质溶液，氧化时间200s，在TC4钛合金表面形成氧化膜。

3.如权利要求1所述的通过阳极氧化表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的技术，其特征在于：采用0.3mol/L的磷酸溶液作为电解质溶液，氧化时间300s，在TC4钛合金表面氧化膜。