摘 要：鈦合金具有高強度、低密度、優良的耐腐蝕性和復合結構兼容性等優點，逐漸取代鎂鋁合金，廣泛應用于航空航天、化學、船舶等領域。隨著鈦合金應用領域不斷擴大，鈦合金表面開始涂覆各種功能性涂料。本文就主要對鈦合金表面處理及涂漆工藝進行了簡要分析。

　　關鍵詞：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

　　鈦自1791年被發現后，因其合金具有杰出的耐蝕性能、比強度高，廣泛使用于軍事工業、航空航天、建筑、石油化工、轎車、醫學等領域中，但鈦及鈦合金存在著硬度低、耐磨性能差的缺陷，約束了其進一步的使用發展。為了加強鈦及鈦合金的外表硬度和耐磨性，很多研究者對其外表處理技術進行了廣泛的探討。

　　一、鈦的性質

　　1、鈦及鈦合金的物理性質

　　鈦的原子序數是22，原子量為47.90，密度為4.5g/cm3，熔點為1725℃，導熱系數λ=15.24W/（m.K），抗拉強度σb=539MPa，伸長率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℃時呈密排六方構造，稱為α-鈦，而在882.5℃以上時為高溫安穩態為體心立方構造，一般稱為β-鈦。鈦合金具有強度、熱強度高，低溫性能好，耐蝕性好，化學活性大、導熱彈性小等性能特色而被廣泛用于各個領域，是20世紀50時代發展起來的重要的構造金屬。

　　2、鈦的化學性質

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

　　二、鈦合金表面處理方法

　　1、機械方法

　　機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度高、操作簡略而廣泛應用于工業生產。此類辦法發生微觀粗糙外表，高溫耐久性較好，但濕熱耐久性較差。如Clearfield等人用楔子實驗證明了噴砂處理的TC4/FM-300M膠接件450℃真空熱老化優于鉻酸陽極氧化（ChromicAcidAnodize，CAA），但濕熱耐久性較差。

　　2、化學蝕刻方法

　　（1）化學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）無機鹽蝕刻法處理鈦合金外表的剝離強度和搭接剪切強度適當，但此法耐久性較差，且易發作析氫腐蝕。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，所發生的金紅石型氧化層具有膠接強度高且在200℃穩定的特點。

　　（3）化學處理辦法蝕刻鈦外表除掉弱界面層，產生十到數百納米厚度的鞏固穩定氧化層。氧化層微觀粗糙度較多。微觀粗糙度很少，耐久性優于機械辦法，稍差于電化學辦法。

　　3、電化學處理方法

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

　　（2）鉻酸陽極化在5%鉻酸、少量含氟添加劑的槽液中進行，因為處理后的鈦合金外表具有優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，具有欄狀層細胞構造和凸形纖維構造添加機械互鎖，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，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、甲酸等盡管可以發生有必定膠接強度的氧化層，但外表微觀粗糙度很小，初始扭剪強度很低，長時間耐久性較差。 　　（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度和在濕熱和應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）膠接拉伸強度最高可達134.2MPa。在濕熱和應力條件下的耐久性實驗中，SHA耐久性同等或優于CAA。

　　（4）電化學外表處理中，陽極氧化的使用較為遍及。陽極氧化發生的多孑L性氧化層明顯增加了膠黏劑與被粘外表的亞微觀機械互鎖，改變了外表成分和物化性質，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）具有對表面污染物無敏感性，適用期長，易修補等優點，但儀器費用較高。PS處理的表面是微觀粗糙結構，表面粗糙度為4.4μm。PS膠接件在400℃/24h的耐久性與SHA相似，優于CAA。95～100℃去離子水中楔子試驗結果與CAA，SHA幾乎相等。

　　三、實驗分析

　　1、實驗方案

　　對TC2材料鈦合金進行適當的表面處理，然后涂覆底漆，通過檢測其附著力等性能指標，驗證鈦合金表面涂漆工藝的可行性。試驗方案包括：附著力對比試驗及表面處理工藝試驗研究。附著力對比試驗：在準備好的鈦合金上按下述試驗方案進行處理，并按GB/T5210―2006要求進行拉開法附著力檢測，通過實際檢測的黏結強度，篩選出最佳表面處理方案。

　　實驗1：在鈦合金上直接涂覆聚氨酯底漆；

　　實驗2：在鈦合金上按順序涂覆磷化底漆、丙烯酸聚氨酯底漆；

　　實驗3：在鈦合金上按順序涂覆表面處理劑、改性環氧底漆。

　　表面處理工藝試驗研究：按工藝流程涂覆表面處理劑、改性環氧底漆，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；按要求質量比配制改性環氧底漆，再用專用稀釋劑調整黏度至施工黏度，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、橫交叉噴涂改性環氧底漆，常溫干燥8h；再涂覆面漆。

　　3、性能指標

　　表面處理劑及改性環氧底漆的性能指標見表1、表2。

　　表1表面處理劑的性能指標

　　表2改性環氧底漆的性能指標

　　4、實驗結果

　　用丙酮對TC2鈦合金表面除油清洗；按GB/T5210―2006進行拉開法附著力試驗，通過實測破壞強度驗證涂漆工藝方案可行性。各種試驗方案的拉開法附著力的試驗結果見表3。各種試驗方案的黏合強度對比曲線見圖1。

　　圖1各種試驗方案的黏合強度對比曲線

　　表3各種試驗方案的拉開法附著力試驗結果

　　涂覆表面處理劑+改性環氧底漆后，面漆的黏合強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、改性環氧底漆提高了面漆與基體的結合力。

　　外表處理能夠有效地提高鈦及鈦合金的功能，外表強化技能為鈦及鈦合金供給了更廣泛的使用遠景，并且有很多新的改性辦法與技能不斷涌現。爾后鈦及鈦合金外表處理技能的研討開展趨勢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。

　　參考文獻

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