賀春影， 唐金鳳， 陳述， 王立世 卜智翔， 陳明慧， 耿陽， 孫力

(1.中國航天科工集團(tuán)第四研究院 紅陽機(jī)電有限公司，湖北 孝感 432000；2.中國航天科工集團(tuán)第四研究院，北京 102308；3.湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；4.湖北工業(yè)大學(xué) 綠色輕工材料湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068)

1 前 言

電解等離子體拋光(Electrolytic Plasma Polishing，EPP)是一種于水基電解液中高電壓作用下，在工件表面產(chǎn)生等離子體放電而達(dá)到清洗或拋光而開發(fā)的電化學(xué)表面處理技術(shù).處理過程中將工件浸入一定溫度的電解液中，并對其施加一定波形的電壓后，在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，工件表面與電解液毗鄰處會產(chǎn)生穩(wěn)定的蒸汽氣體層(厚度50～100 nm)，使工件表面和電解液相隔離，當(dāng)電壓升至足夠高后(通常200～400 V)，汽層擊穿(電場強(qiáng)度可達(dá)104～105V/cm)，形成放電等離子體(接觸輝光放電電解，Contact Glow Discharge Electrolysis，CGDE).該技術(shù)具有可處理外形復(fù)雜的工件以及環(huán)保的電解液(通常是質(zhì)量百分濃度為4%～10%無機(jī)鹽的水基溶液)等優(yōu)點[1-5].

與電解等離子體氧化要求不同，等離子體電解拋光要求所形成的膜層要能夠溶解和易于剝落，因而在配方的設(shè)計上要達(dá)到兩個目標(biāo)：(1)處理初始階段要能夠快速鈍化并擊穿，進(jìn)入放電等離子體狀態(tài)；(2)鈍化擊穿后所形成的膜層要在電解液及電解附近的化學(xué)、電化學(xué)及熱化學(xué)等作用下疏松化并快速溶解及剝落.與其他金屬相比，因鈦與氧的親和性極強(qiáng)，鈦及其合金的拋光顯得尤為困難.目前工業(yè)界對于鈦的拋光后表面粗糙度的改善一般在50%以下，比如Able Electropolishing Co. Inc.、MCP Electropolishing Co. Inc, Delstar Metal Finishing Inc.等有代表性公司的鈦合金拋光工藝[7].

本文嘗試用EPP方法對鈦合金進(jìn)行拋光，設(shè)計不同的電解液配方，探討不同組分對拋光效果的影響.研究成果可為鈦合金電解等離子體拋光技術(shù)在飛機(jī)、導(dǎo)彈、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供試驗基礎(chǔ).

2 實 驗

2.1 實驗材料

本實驗拋光處理的基體材料為鈦合金板，厚度為2 mm.試樣采用剪床取樣，去離子水清洗后干燥待用.

2.2 等離子體電解拋光處理

處理用電源功率為20 kW，根據(jù)工藝需要可輸出直流、雙脈沖交流，頻率可達(dá)1 000 Hz，占空比10%～95%可調(diào).電拋光槽材料為PP塑料，對電極為不銹鋼板，待處理鈦合金件為工作電極.等離子體電解液采用經(jīng)過前期大量篩選的四種配方，質(zhì)量百分濃度為4%～6%，電解液體積為20 L.電解液的加熱及溫度控制(85～95 ℃)及工件的自動升降系統(tǒng)均為自行設(shè)計和制備.

2.3 測試方法

粗糙度采用TR210手持式粗糙度儀進(jìn)行測量；光澤度采用激光反射率的方法進(jìn)行測量；表面特征采用光學(xué)及掃描電鏡方法進(jìn)行.

3 四種電解液配方的處理結(jié)果

3.1 配方1

拋光前后的粗糙度變化情況如表1所示.由表中的數(shù)據(jù)可以看出，拋光后的局部的表面粗糙度一般位于0.25 μm以下.

表1 配方1條件下試樣處理前后的表面粗糙度變化(Ra/μm)

拋光后的表面形貌情況如圖1所示.

圖1 配方1條件下拋光前后的試樣表面的顯微形貌對比(X500)，a), b)為拋光前表面不同位置形貌，c), d)為拋光后的表面形貌

3.2 配方2

拋光前后的粗糙度變化情況如表2所示.配方2條件下拋光后的表面形貌情況如圖2所示.

表2 表2 配方2條件下試樣處理前后的表面粗糙度變化(Ra/μm)

圖2 配方2條件下拋光前后的試樣表面的顯微形貌對比(X500)，a), b)為拋光前表面不同位置形貌，c), d)為拋光后的表面形貌

3.3 配方3

拋光前后的粗糙度變化情況如表3所示.配方3條件下拋光后的表面形貌情況如圖3所示.

2.行業(yè)指導(dǎo)價格（包括現(xiàn)場施工安裝指導(dǎo)費用的出廠價）：17300元/t（PE原材料參考價按11600元/t計）。

表3 配方3條件下試樣處理前后的表面粗糙度變化(Ra/μm)

圖3 配方3條件下拋光前后的試樣表面的顯微形貌對比(X500, X100), a), b)為拋光前表面不同位置形貌(X500, X100)，c), d)

3.4 配方4

配方4條件下處理的鈦合金試樣表面取得了較好的鏡面效果，而且對鑄件、焊接件的適應(yīng)性良好，均可以達(dá)到明顯的鏡面拋光效果.處理后試樣的鏡面情況如圖4所示，映照的字跡清晰可見.

圖4 配方4條件下拋光后的試樣表面宏觀形貌，a)為平試片，b)為小弧度試樣

激光反射率的測試結(jié)果如表4所示，其中的5號和8號試樣是一定曲率的彎曲樣，對反射效果有較大的影響，18號樣為平板樣，處理后激光反射率可達(dá)70%.配方4條件下拋光后的表面形貌情況如圖5所示.

表4 配方4條件下處理后表面粗糙度及激光反射率

4 討 論

4.1 鈦合金表面初始陽極氧化膜層的形成

在初始階段，鈦試樣表面形成均一、覆蓋良好的薄的陽極氧化膜，一般經(jīng)歷了以下幾個階段：

(1)鈦離子溶解并進(jìn)入電解液

Ti=Ti4++4e-

(2)陽極表面氧的析出

4OH-=O2+2H2O+4e-

(3)在陽極表面形成鈍化膜

Ti+2OH-=TixOy+H2O+2e-

鈍化膜的形成和氣體析出為微放電的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件.微放電的數(shù)量和強(qiáng)度，與和陰極電流成比例關(guān)系的陽極電流脈沖有密切聯(lián)系，這使得可以通過改變陰極電流的幅值而控制EPP處理的狀態(tài).陰極電流的存在可以調(diào)整近膜層表面的離子密度和種類、產(chǎn)生的氣體量，而這種環(huán)境中有利于微放電的產(chǎn)生.另外，陰極電流可以使生長的氧化物膜層轉(zhuǎn)向可溶性的化合物，這也許是陰極電流強(qiáng)烈影響微放電的另外一個原因[8-9].

在試驗過程中，嘗試加入了負(fù)脈沖，一方面改善放電的形式，另一方面改變所形成陽極氧化膜內(nèi)表面的形態(tài)，即膜層與基體界面的平整度.

4.2 所形成的膜層剝落的難易程度

試驗過程中，試樣表面的氧化層通過超聲波清洗予以去除.配方4電解液中所形成的膜層疏松，可輕易地剝離和去除，露出鈦基體的鏡面光澤.

4.3 電解液組分的作用

EPP處理過程中，不同配方電解液的作用體現(xiàn)在膜層截面存在分層現(xiàn)象，即可分為外部層和內(nèi)部層.根據(jù)之前系列、詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)外部層的形成對應(yīng)于噪聲火花放電，而內(nèi)部層的形成與軟火花放電的出現(xiàn)有重要的聯(lián)系.另外，膜層的成分也存在分層現(xiàn)象(re-distribution)，即電解液中的電解質(zhì)元素在外部，而內(nèi)部層只有基體元素和氧的存在.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：外部層的形成是噪聲火花條件下電解質(zhì)元素向內(nèi)部而基體元素向外擴(kuò)散過程；而內(nèi)部層的形成主要源于軟火花的熱效應(yīng)，即軟火花放電的熱效應(yīng)造成了外部層/基體界面區(qū)的快速、離散式氧化.與只經(jīng)歷噪聲火花放電所形成的膜層相比，這些離散點氧化的綜合作用，促成了經(jīng)歷軟火花放電膜層厚度的高度均一性(膜層/基體界面相對一致)，它可能是配方4電解液拋光效果最好的原因.

5 結(jié) 論

1)篩選了鈦合金EPP工藝的四種電解液配方，其中配方4對于鈦合金的拋光具有明顯的作用，大幅度降低了表面粗糙度，提高了表面光澤，對于不同表面狀態(tài)的鈦合金適用性較好.

2)EPP工藝在處理鈦合金過程中，鏡面拋光面的形成可能是初始均一鈍化膜層擊穿、疏松并溶解的結(jié)果.

參 考 文 獻(xiàn):

[1] 王季. 金屬表面電解質(zhì)等離子拋光及其工藝的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[2] 張篤飛. 電解質(zhì)—等離子加工技術(shù)中電解液作用的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[3] 陳寧英. 電漿拋光生產(chǎn)工藝：中國，CN101492833A[P]. 2008-01-23.

[4] 陳寧英. 一種具有升降裝置的電漿拋光機(jī)：中國，CN201148476Y[P]. 2008-01-23.

[6]YEROKHIN A L, NIE X, LEYLAND A, et al. Plasma electrolysis for surface engineering[J]. Surface and Coatings Technology, 1999, 122: 73-93.

[7]TEIXEIRA A F. Development of an electropolishing method for titanium materials[D]. Montreal(Canada)：Concordia University, 2013.

[9]Stephanie Kiβing.Chemische und elektrochemische methoden zur oberfl?chenbearbeitung von galvanogeformten nickel-mikrostrukturen[D].Baden-Württemberg(German)：Karlsruher Institut für Technologie,2010.