摘 要：鈦合金具有高強(qiáng)度、低密度、優(yōu)良的耐腐蝕性和復(fù)合結(jié)構(gòu)兼容性等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代鎂鋁合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、化學(xué)、船舶等領(lǐng)域。隨著鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，鈦合金表面開始涂覆各種功能性涂料。本文就主要對(duì)鈦合金表面處理及涂漆工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

　　關(guān)鍵詞：鈦合金；表面處理；涂漆

　　Research on the

　　titanium alloys surface treatment and coating process

　　FU Yu-zhu

　　（Liaoning petrochemical vocational and technical college Jinzhou 121001

　　Abstract： Titanium alloy has a high strength， low density， excellent corrosion resistance and composite structures compatibility， and etc.， gradually replacing magnesium alloy， which was widely used in aerospace， chemical， shipbuilding and other. As the applications continue to expand， the titanium alloy surface coating of various functional coatings begin. The titanium alloy surface treatment and painting process was briefly analyzed in this paper.

　　Keywords： titanium alloy； Surface treatment； painting

　　引言

　　鈦?zhàn)?791年被發(fā)現(xiàn)后，因其合金具有杰出的耐蝕性能、比強(qiáng)度高，廣泛使用于軍事工業(yè)、航空航天、建筑、石油化工、轎車、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中，但鈦及鈦合金存在著硬度低、耐磨性能差的缺陷，約束了其進(jìn)一步的使用發(fā)展。為了加強(qiáng)鈦及鈦合金的外表硬度和耐磨性，很多研究者對(duì)其外表處理技術(shù)進(jìn)行了廣泛的探討。

　　一、鈦的性質(zhì)

　　1、鈦及鈦合金的物理性質(zhì)

　　鈦的原子序數(shù)是22，原子量為47.90，密度為4.5g/cm3，熔點(diǎn)為1725℃，導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/（m.K），抗拉強(qiáng)度σb=539MPa，伸長(zhǎng)率δ=25%，斷面縮短率ψ=25%，彈性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。金屬鈦具有兩種同素異晶體，在低于882.5℃時(shí)呈密排六方構(gòu)造，稱為α-鈦，而在882.5℃以上時(shí)為高溫安穩(wěn)態(tài)為體心立方構(gòu)造，一般稱為β-鈦。鈦合金具有強(qiáng)度、熱強(qiáng)度高，低溫性能好，耐蝕性好，化學(xué)活性大、導(dǎo)熱彈性小等性能特色而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，是20世紀(jì)50時(shí)代發(fā)展起來的重要的構(gòu)造金屬。

　　2、鈦的化學(xué)性質(zhì)

　　鈦的化學(xué)活性大，與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)。含碳量大于0.2%時(shí)則在鈦合金中構(gòu)成硬質(zhì)TiC；溫度較高時(shí)，與N效果會(huì)構(gòu)成TiN硬質(zhì)表層；在600℃以上時(shí)，鈦吸收氧并構(gòu)成硬度很高的硬化層；氫含量上升時(shí)，也會(huì)構(gòu)成脆化層。吸收氣體而發(fā)生的硬脆表層深度可達(dá)0.1～0.15mm，硬化程度為20%～30%。鈦的化學(xué)親和性也大，易與沖突外表發(fā)生粘附表象。鈦對(duì)中性、氧化性、弱還原性介質(zhì)耐腐蝕，如不會(huì)被稀鹽酸、稀硫酸、硝酸或稀堿溶液所腐蝕；但對(duì)強(qiáng)還原性和無水強(qiáng)氧化性等介質(zhì)不耐腐蝕，如氫氟酸、熱的濃鹽酸、濃硫酸等。

　　二、鈦合金表面處理方法

　　1、機(jī)械方法

　　機(jī)械辦法通常包含打磨和噴砂兩種辦法。這兩種辦法由于膠接強(qiáng)度高、操作簡(jiǎn)略而廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。此類辦法發(fā)生微觀粗糙外表，高溫耐久性較好，但濕熱耐久性較差。如Clearfield等人用楔子實(shí)驗(yàn)證明了噴砂處理的TC4/FM-300M膠接件450℃真空熱老化優(yōu)于鉻酸陽極氧化（ChromicAcidAnodize，CAA），但濕熱耐久性較差。

　　2、化學(xué)蝕刻方法

　　（1）化學(xué)辦法是指在常溫或加熱條件下選用各種腐蝕液蝕刻鈦合金外表的辦法。此辦法通常包含酸蝕法、堿蝕法和無機(jī)鹽蝕刻法。

　　（2）酸蝕法與磷酸鹽氟化物（Phosphate-Fluoride，PF）或改性磷酸鹽氟化物（ModifiedPhosphate-Fluor-ide，MPF）無機(jī)鹽蝕刻法處理鈦合金外表的剝離強(qiáng)度和搭接剪切強(qiáng)度適當(dāng)，但此法耐久性較差，且易發(fā)作析氫腐蝕。Mahoon研討了一種堿性過氧化物蝕刻法減少了鈦合金的析氫腐蝕，所發(fā)生的金紅石型氧化層具有膠接強(qiáng)度高且在200℃穩(wěn)定的特點(diǎn)。

　　（3）化學(xué)處理辦法蝕刻鈦外表除掉弱界面層，產(chǎn)生十到數(shù)百納米厚度的鞏固穩(wěn)定氧化層。氧化層微觀粗糙度較多。微觀粗糙度很少，耐久性優(yōu)于機(jī)械辦法，稍差于電化學(xué)辦法。

　　3、電化學(xué)處理方法

　　（1）自1973年波音公司發(fā)明晰鈦合金鉻酸陽極化技術(shù)以來，電化學(xué)辦法處理鈦合金膠接外表的研討得到了迅速發(fā)展。

　　（2）鉻酸陽極化在5%鉻酸、少量含氟添加劑的槽液中進(jìn)行，因?yàn)樘幚砗蟮拟伜辖鹜獗砭哂袃?yōu)秀的耐濕熱老化功能，得到廣闊研究者們的喜愛。MelvinC.Locke和YokimoriMoji用CAA處理的鈦合金外表氧化層有顯著的微觀粗糙度（峰到谷2.1μm），厚度40～80nm，具有欄狀層細(xì)胞構(gòu)造和凸形纖維構(gòu)造添加機(jī)械互鎖，提高了耐久性。盡管CAA處理的外表較其他辦法處理的外表有非常好的濕熱耐久性，但鉻酸毒性較強(qiáng)，此種辦法不宜推廣。其他酸性陽極氧化如鉻酸一硫酸、重鉻酸鈉一硫酸、磷酸、甲酸等盡管可以發(fā)生有必定膠接強(qiáng)度的氧化層，但外表微觀粗糙度很小，初始扭剪強(qiáng)度很低，長(zhǎng)時(shí)間耐久性較差。 　　（3）氫氧化鈉陽極化（SodiumHydroxideAnodize，SHA）和過氧化物氫氧化鈉陽極化處理的鈦合金具有高膠接強(qiáng)度和在濕熱和應(yīng)力條件下杰出的耐久性。C.Ingram選用SHA處理的外表氧化層非晶、多孔（孔直徑4～5nm）、有顯著微觀粗糙度，與聚醚酮醚酮酮（PEKEKK）膠接拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)134.2MPa。在濕熱和應(yīng)力條件下的耐久性實(shí)驗(yàn)中，SHA耐久性同等或優(yōu)于CAA。

　　（4）電化學(xué)外表處理中，陽極氧化的使用較為遍及。陽極氧化發(fā)生的多孑L性氧化層明顯增加了膠黏劑與被粘外表的亞微觀機(jī)械互鎖，改變了外表成分和物化性質(zhì)，然后明顯提高了被粘件在濕熱條件下的耐久性。

　　4、物理方法

　　（1）物理方法污染小，使用方便，近年來研究者嘗試用此方法提高鈦合金膠接性能。

　　（2）等離子體噴涂（PlasmaSprays，PS）具有對(duì)表面污染物無敏感性，適用期長(zhǎng)，易修補(bǔ)等優(yōu)點(diǎn)，但儀器費(fèi)用較高。PS處理的表面是微觀粗糙結(jié)構(gòu)，表面粗糙度為4.4μm。PS膠接件在400℃/24h的耐久性與SHA相似，優(yōu)于CAA。95～100℃去離子水中楔子試驗(yàn)結(jié)果與CAA，SHA幾乎相等。

　　三、實(shí)驗(yàn)分析

　　1、實(shí)驗(yàn)方案

　　對(duì)TC2材料鈦合金進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚缓笸扛驳灼幔ㄟ^檢測(cè)其附著力等性能指標(biāo)，驗(yàn)證鈦合金表面涂漆工藝的可行性。試驗(yàn)方案包括：附著力對(duì)比試驗(yàn)及表面處理工藝試驗(yàn)研究。附著力對(duì)比試驗(yàn)：在準(zhǔn)備好的鈦合金上按下述試驗(yàn)方案進(jìn)行處理，并按GB/T5210―2006要求進(jìn)行拉開法附著力檢測(cè)，通過實(shí)際檢測(cè)的黏結(jié)強(qiáng)度，篩選出最佳表面處理方案。

　　實(shí)驗(yàn)1：在鈦合金上直接涂覆聚氨酯底漆；

　　實(shí)驗(yàn)2：在鈦合金上按順序涂覆磷化底漆、丙烯酸聚氨酯底漆；

　　實(shí)驗(yàn)3：在鈦合金上按順序涂覆表面處理劑、改性環(huán)氧底漆。

　　表面處理工藝試驗(yàn)研究：按工藝流程涂覆表面處理劑、改性環(huán)氧底漆，干燥固化。

　　2、工藝流程

　　涂料配制：打開包裝桶，按要求比例配制表面處理劑，攪拌；按要求質(zhì)量比配制改性環(huán)氧底漆，再用專用稀釋劑調(diào)整黏度至施工黏度，過濾，熟化。

　　涂覆工藝：選用180mm×180mm的鈦合金（TC2）試片，用丙酮清洗表面，再用干凈的白色細(xì)平布擦凈，去除油污后，刷涂表面處理劑，放置5～10min；縱、橫交叉噴涂改性環(huán)氧底漆，常溫干燥8h；再涂覆面漆。

　　3、性能指標(biāo)

　　表面處理劑及改性環(huán)氧底漆的性能指標(biāo)見表1、表2。

　　表1表面處理劑的性能指標(biāo)

　　表2改性環(huán)氧底漆的性能指標(biāo)

　　4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　用丙酮對(duì)TC2鈦合金表面除油清洗；按GB/T5210―2006進(jìn)行拉開法附著力試驗(yàn)，通過實(shí)測(cè)破壞強(qiáng)度驗(yàn)證涂漆工藝方案可行性。各種試驗(yàn)方案的拉開法附著力的試驗(yàn)結(jié)果見表3。各種試驗(yàn)方案的黏合強(qiáng)度對(duì)比曲線見圖1。

　　圖1各種試驗(yàn)方案的黏合強(qiáng)度對(duì)比曲線

　　表3各種試驗(yàn)方案的拉開法附著力試驗(yàn)結(jié)果

　　涂覆表面處理劑+改性環(huán)氧底漆后，面漆的黏合強(qiáng)度明顯高于涂覆磷化底漆+丙烯酸聚氨酯底漆或直接涂覆聚氨酯底漆的方案，表面處理劑、改性環(huán)氧底漆提高了面漆與基體的結(jié)合力。

　　外表處理能夠有效地提高鈦及鈦合金的功能，外表強(qiáng)化技能為鈦及鈦合金供給了更廣泛的使用遠(yuǎn)景，并且有很多新的改性辦法與技能不斷涌現(xiàn)。爾后鈦及鈦合金外表處理技能的研討開展趨勢(shì)為降低各種外表處理技能的成本外，再開展多種外表處理辦法的綜合使用。

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