钛及钛合金阳极氧化着色层结构及拉伸性能
钛的着色工艺原理及其应用
钛的着色工艺原理及其应用简介钛是一种轻量级、高强度、防腐蚀性能极佳的金属，因此被广泛应用于航空航天、医疗器械、化工和汽车等领域。
但由于其颜色相对单调，无法满足一些设计需求，因此如何为钛材料实现多样化的色彩成为了研究的热点。
本文将介绍钛的着色工艺原理及其应用。
钛的着色工艺原理氧化法氧化法是最常用的钛着色方法之一。
它基于钛材料表面形成的氧化层颜色对光的折射和衍射作用来实现着色效果。
通过控制氧化层的厚度和微观结构，可以使钛材料呈现出多种颜色。
具体工艺如下：1.预处理：首先，将钛材料进行机械抛光或酸洗，去除其表面的杂质和氧化物。
2.氧化处理：然后，将钛材料浸入含有氧化剂的电解液中进行氧化处理。
在氧化过程中，钛材料表面形成了一层均匀的氧化层。
3.控制颜色：通过改变氧化剂种类、工艺参数以及氧化时间，可以控制氧化层的厚度和微观结构，从而实现不同颜色的钛材料。
氧化法着色工艺具有颜色稳定、耐磨损、无电解沉积和环境友好等优点，但是由于其着色效果主要依赖于氧化层，颜色较浅且易受到外界环境的影响。
电化学阳极氧化法电化学阳极氧化法是一种常用的控制钛材料颜色的方法。
其原理是利用阳极氧化过程中产生的氧化层吸收不同波长的光谱来实现着色。
具体工艺如下：1.预处理：同样地，首先对钛材料进行表面处理，去除杂质和氧化物。
2.电解液：然后，将钛材料浸入含有不同配方的电解液中。
电解液中的组分和操作条件将决定氧化层的颜色。
3.电解过程：在电解过程中，阳极氧化会发生，钛材料的表面形成了一层均匀、致密的氧化层。
4.控制颜色：通过调整电解液的组成、浸泡时间和电压等工艺参数，可以控制氧化层的厚度和颜色，实现不同的着色效果。
电化学阳极氧化法制备的钛材料具有着色效果持久、颜色鲜艳、耐候性好等优点，且可实现多种颜色和多层氧化。
钛的着色应用航空航天领域钛合金在航空航天领域中广泛应用，如飞机结构件、发动机零部件等。
通过钛的着色工艺，可以为这些零部件赋予不同的颜色，不仅提升了产品的外观美观度，同时还起到了防腐蚀和减少光反射的作用。
钛表面阳极氧化处理
钛表面阳极氧化处理发表时间：2011-05-25T11:53:02.153Z 来源：《魅力中国》2011年4月上作者：谢海峰杜勇义鹏[导读] 钛表面阳极氧化技术克服了钛不耐磨的缺点和提高了其生物相容性等。
谢海峰杜勇义鹏(溶胶-凝胶法钛表面涂层制备及性能研究项目组)中国矿业大学材料科学与工程学院江苏徐州 221000)中图分类号：TF823 文献标识码：A 文章编号：1673-0992（2011）04-0000-01 摘要：钛表面阳极氧化技术克服了钛不耐磨的缺点和提高了其生物相容性等，使其在航空及医学行业得到充分地运用。
本文还介绍了一些具体的方法及阳极氧化的原理。
关键词：钛表面阳极氧化氧化膜引言：钛因其比强度高、耐蚀性好而在宇航工业中广泛的应用，但又因存在易于磨损而限制了它的充分利用。
为了防止和减轻钛的磨损,可以通过阳极氧化在钛表面生成氧化层[1]。
除此，钛及其合金以其特有的优良机械性能、化学性能和生物相容性越来越多的被应用到临床[2] 。
作为一种常用的金属表面处理方法, 阳极氧化是利用电化学原理通过调整阳极氧化的电解条件, 可以在金属表面形成不同程度粗糙、多孔的氧化层, 附加在原有的极薄的自然氧化物上, 从而促进生物细胞的黏附, 抑制金属离子的释放和增强金属离子抗腐蚀性能[ 3, 4] 。
1.阳极氧化原理阳极氧化是通过改变阳极工艺参数来获得不同厚度的氧化膜，从而满足各种不同的生产与应用需求。
主要经过除油—水洗—酸洗—水洗—阳极氧化—水洗的工艺流程。
钛膜阳极氧化时,在阳极上会发生如下的阳极反应:Ti +H2O TiO + 2H+ + 2e (1)2Ti + 3H2O Ti2O3 + 6H+ + 6e (2)Ti + 2H2O TiO2 + 4H + + 4e (3)3Ti + 5H2O Ti3O5 + 10H + + 10e (4)由反应式(1) ～ (4)可知:钛阳极上生成了钛的氧化物。
而钛的低价氧化物在阳极氧化继续时又会生成高价钛的氧化物,其反应式(5) ～ (7)为: 2TiO +H2O Ti2O3 + 2H + + 2e (5)Ti2O3 +H2O 2TiO2 + 2H + + 2e (6)3Ti2O3 +H2O 2Ti3O5 + 2H+ + 2e (7)2.阳极氧化研究现状目前钛及钛合金阳极氧化主要在酸性溶液中进行。
钛及钛合金阳极氧化着色工艺及其电源的研究
即阳极氯化膜凝有多孔性和强吸附性，封闭处理提高了篡抗污性、防护性、绝缘性和瓣磨程。
３，２瑰疆对铁合金鬻援氧纯遘罄薛影噙翳测钛合鑫ＴＣｌ０绒健羞爨瞧压与襞氆貘频篷鼹关系懿表３。
２：各瞧基下ＴＣＩＯ麓极氧化着色膜颜色图如图３．１：表３。
２ＴＣＩＯ麓位着色窀压与羲色貘颜色豹关系Ｔａｂ．３．２Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎａｎｏｄｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄｌｈｅｃｏｌｏｒｏｆｏｘｉｄｉｚａｔｉｏｎｆｉｌｍ——＋。
‘４“～…氧化电压（Ｖ）１０２０３０４０５０６０７０８０９０１００１１０紫深淡红玫蓝黄淡灰氧化膜颜色蓝嬷蓝黄瑰紫绿缀绿罄彦彦氆省色红色聋彦岂謦３。
ｉ氧诧瞧压与氧纯簇羧色对照瀚Ｆｉｇ．３．１Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｉｃｔｕｒｅｏｆｏｘｉｄｉｚｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｗｉｔｈｆｉｌｍｃｏｌｏｒ表３．３钛及钛合盒氧纯满色电艇精度与着色膜颜色色羞的关系Ｔａｂ．３．３Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｌｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｏｘｉｄｉｚａｔｉｏｎｆｉｌｍａｎｄａｎｏｄｅｖｏｌｔａｇｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎ塑垦塑蓬！垒！照董堕ｌ３８：２５一－８４．．００～－２１９５．：７５３２５００７５５１８．４７一４．～２５．…１。
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ｓ不同氧化电压精度下所得氧化膜色差数据如表３．３所示；从袭３．３可以看出，采用各种电压精度的电源进行阳极氧化所获得的氧化膜的颜色是有靛异的，图３．２列出了电压精度程０。
０７Ｖ，０。
０５Ｖ，０．０４Ｖ瓣瓣毪差效暴；淡３．３中，鞭投氧亿簇颜夔色差随电源电压精度的提高两下降，当氧化电压为３０±Ｏ．０５Ｖ时，氧化膜色差值为５．７ｌ。
（ａ）ｏ．０７Ｖ电压精度（ｂ）ｏ．０５Ｖ电源精度（ｃ）０．０４Ｖ电源精艘图３．２不同电源糟度阳极氧化膜色差效果图Ｆｉｇ．３，２Ｔｈｅｃｏｌｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｐｉｃｔｕｒｅｏｆａｎｏｄｅｆｉｌｍｏｘｉｄｉｚｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｔａｇｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎ对照图３．２可以看出直观上，阳极氧化电压精度在０．０５Ｖ时，所得到的氧化膜颟色色簇爆肉眼已较难分辨。
钛合金阳极氧化色差问题
钛合金阳极氧化色差问题
钛合金阳极氧化色差问题是指在钛合金表面进行阳极氧化处理后，出现不均匀的颜色差异现象。
这种色差问题可能由以下几个方面引起：
1. 材料本身的差异：钛合金由不同的合金元素组成，不同成分的合金会导致阳极氧化后的颜色差异。
此外，钛合金的晶体结构、晶粒大小等也会影响颜色的均匀性。
2. 表面处理不均匀：在进行阳极氧化处理时，如果表面处理不均匀，例如氧化液的浓度、温度、处理时间等参数不一致，就会导致颜色的差异。
此外，钛合金表面的几何形状、表面粗糙度等也会影响氧化液的分布和处理效果。
3. 工艺控制不当：阳极氧化是一个复杂的工艺过程，需要严格控制各个环节。
如果工艺控制不当，例如电流密度不均匀、阳极氧化电解液的浓度不稳定等，就会导致色差问题的出现。
为了解决钛合金阳极氧化色差问题，可以采取以下措施：
1. 优化材料选择：选择合适的钛合金材料，确保成分均匀，晶体结构稳定，可以减少色差问题的发生。
2. 控制表面处理参数：严格控制氧化液的浓度、温度、处理时间等参数，确保表面处理均匀一致，避免出现色差。
3. 精细工艺控制：严格控制阳极氧化工艺中的电流密度、电解液浓度等参数，确保每个部位的处理效果一致，减少色差问题的发生。
4. 使用辅助工艺：可以采用预处理、后处理等辅助工艺，例如机械抛光、化学抛光等，来提高表面均匀性，减少色差。
总之，钛合金阳极氧化色差问题是一个复杂的问题，需要从材料、表面处理和
工艺控制等多个方面进行综合考虑和优化，以达到更加均匀一致的颜色效果。
钛合金阳极氧化
钛合金阳极氧化钛是地壳中储量较丰富的元素之一，它在地壳中的丰度约为0.64%,在结构金属中仅次于铝、镁和铁居第四位，1791年英国矿物爱好者W.Gregoy在黑色磁铁矿中发现了化学元素Ti，在分析这种钛铁矿时把它称为Menachanite ；1795年, 德国化学家Klaproth在分析匈牙利Boinik出产的一种红金石时，发现一种新的金属，称其为titanium。
钛及钛合金在工程上应用较晚，直到1952年才正式作为结构材料使用，这主要是因为钛和氧、氮、氢和碳等元素有很强的亲和力，并易产生化学作用，致使钛及其合金的生产成本较高的缘故。
近年来钛及钛合金因其具有优良的机械性能在现代工业中得到了广泛应用。
钛合金作为工程结构材料，与其它金属相比，钛合金具有密度小，相当于铁的57%；比强度高，如Ti-6A1-4V 钛合金的比强度为21.7，而LY12铝合金为16.7 ;高耐酸性，纯钛在硝酸以及在常温5 %以下的硫酸、盐酸、磷酸中有较好的耐腐蚀性，在海水中几乎不被腐蚀；同时钛合金拥有优良的高、低温力学性能，TC11钛合金能在600 C的高温下长期稳定工作，在-200 C低温下仍能保持很好的塑性；另外，钛合金还具有无磁、良好的弹性、形状记忆、吸氢、超导、低阻尼、高抗冲击强度、耐压、抗震、与复合材料有良好的相容性等性能。
钛及其合金作为21世纪最重要的工程金属，以其优异的性能而被广泛用于航空航天、舰船、汽车、医疗、化工等行业。
但钛合金不耐磨，与其它金属易产生接触腐蚀等问题限制了其应用范围。
因此适当的表面处理以增强钛合金的耐蚀性、耐磨性及装饰性具有重要的现实意义。
传统的钛合金表面处理技术有许多不足之处，例如，工艺复杂、成本高、电解液对环境不友好等。
钛合金的特性(1) 钛合会的最主要性能之一是密度小，比强度高。
钛的密度为4. 5 g /cm 3，在常用金属中只有铝的密度为2. 7 g/cm'比它轻，但铝合金的强度较低，而低碳锏7. 86 g/ca。
钛合金黑色阳极氧化
钛合金黑色阳极氧化
钛合金黑色阳极氧化（Black Anodizing of Titanium Alloy）是一种表面处理技术，用于在钛合金表面形成具有黑色的氧化层。
这种氧化层具有更高的硬度和耐磨性，同时还具有一定的耐腐蚀性。
以下是钛合金黑色阳极氧化的基本过程：
1. 表面预处理：首先，钛合金表面需要进行清洗和去除油污、杂质等预处理工作，以确保氧化过程的效果。
2. 阳极氧化：将预处理后的钛合金材料作为阳极，将其浸入含有电解液（通常是硫酸、氧化剂等）的电解槽中，通过施加电流使其进行氧化反应。
在氧化过程中，钛合金表面的氧化层会逐渐形成，并在其上形成黑色的吸光层。
3. 封孔处理：完成氧化后，可能需要进行封孔处理以增加氧化层的密封性和耐腐蚀性。
封孔处理可以使用热水、热氧化、封孔剂等进行。
4. 表面处理：最后，可以根据需要对黑色阳极氧化层进行后续的表面处理，如抛光、抗指纹处理等，以提高其外观和性能。
钛合金黑色阳极氧化技术广泛应用于航空航天、汽车、电子设备等领域，主要用于增加表面硬度、改善外观、提高耐腐蚀性和抗磨损性等方面。
需要注意的是，具体的钛合金黑色阳极氧化过程和参数会根据不同的制造商和应用需求而有所差异。
因此，在实际应用中最好参考专业的制造商建议或技术规范，并确保操作安全和环境保护。
阳极氧化对TB8钛合金粘接性能的影响
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５— ５ ０ ９ Ｘ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ２ ． ０ １ ４
阳极 氧化 对 Ｔ Ｂ ８钛 合 金 粘 接 性 能 的 影 响
周希文 ， 谢 兰生 ， 黄 琚 ， 洪海华 ， 王妍琴
２ １ ０ ０ １ ６ ） ３ ３ ３ ０ ０ １ ） ３ ０ ０ ４ ６ ２ ） （ １ ． 南京 航空 航天 大学 机 电学 院 ， 江苏 南 京 （ ２ ． 中航工 业直 升机设 计 研究 所 ， 江西 景 德镇 （ ３ ． 天 津航 天长 征火 箭制 造有 限公 司 ， 天津
钛合金胶接结构可有效减轻飞行器 的质量 ， 广 泛 应用 于航 空航 天领 域 ， 但 需要 解决 的一 个重 要 问
题 是 粘接 强 度 问题 。表 面形 貌 、 硬度 、 材 料 热 膨胀 系 数和 表 面化学 特 性 等 诸 多 因素 都 会 影 响胶 接件 的胶接 强度 ， 通 过表 面预处 理 改善材 料 表面形 貌 和 化 学特 性是 提高 钛 合 金 粘 接强 度 的一 个 非 常 重要
摘要 ： 分 别 以铬 酸 阳极 氧化 （ Ｃ Ａ Ａ） 和 氢 氧化 钠 阳极 氧化 （ Ｓ Ｈ Ａ） 两种 方 法 ， 处 理 用 于钛合 金／ 钛 合 金 胶 接试 样 的 Ｔ Ｂ ８钛 合 金 表 面 ， 通 过 拉伸 剪 切试 验 测 量 了钛 合金／ 钛 合金 胶 接试 样 的 剪切 强 度 ，
Ｔ Ｂ ８钛 合金 是 “ 九五” 期 间 国家 重 点 攻关 研 制 的一种 超高 强度 近 Ｂ型 钛合 金 ， 与 美 国在 ２ Ｏ世 纪
３ ． ２ ０ ０ ％， Ｗ（ Ｓ ｉ ）＝０ ． １ ５ ０ ％ 一０ ． ２ ５ ０ ％， （ Ｆ ｅ ） ≤
钛及钛合金阳极氧化
航空精密制造技术 !"#!$#%& ’()*+,+%& -.&/0.*$/(+&1 $)*2&%3%14
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材料 ・ 热工艺
钛及钛合金阳极氧化
刘天国， 张海金
（中国航空工业第六!九研究所， 湖北 襄樊
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钛及钛合金阳极氧化着色层
结构及拉伸性能
脱祥明 李 楠(北京有色金属研究总院,北京100088) (联大应用文理学院)
关键词: 氧化膜 组成 结构 性能
1 前 言
60年代俄罗斯建造一座钛包覆经阳极氧化、象征火箭发射台的纪念碑。
70年代英国、美国、日本等都十分重视钛阳极氧化工艺的研究,试制了装饰品、手表壳、彩色画等,并申请了发明专利权。
国内也研究了用阳极氧化的方法在钛板和钛镀层表面获得彩色画的工艺,并进一步推广钛制品进入装饰品和工艺美术等领域。
阳极氧化膜具有比钛更高的硬度、强度、耐蚀性及耐磨性,是理想的装饰层和保护层。
2 试验方法
2.1 试验材料
采用工厂生产Υ26mm的TA2纯钛及TC4钛合金棒材。
热处理制度为TA2 700℃/1h,空冷;TC4为750℃/1h,空冷。
将制备好的金相试样及标准拉伸试样(TC4、TA2)洗净,干燥后进行氧化着色试验。
2.2 阳极氧化着色试验
试验设备采用阳极氧化着色仪,系直流电源,其可调的直流电压为0～150V。
电解液采用5%酒石酸铵溶液。
在试样阳极氧化过程中,主要控制电压,电压不同氧化膜厚度不同。
在光的干涉下各种不同厚度的氧化膜呈现出各种颜色,详见表1。
表1 氧化膜颜色随电压的变化
电压U/V20306085110颜色棕蓝黄红绿
根据这个原理,把制备好的试样与电源的阳极连接,用阴极毛笔蘸上电解液后,在试样上进行氧化,调节电压,即可得到所需要的氧化膜厚度。
3 试验结果
3.1 氧化膜的表观与增重
拉伸试样进行阳极氧化着色,电压增高,氧化膜的厚度增加,也就是说氧化后的试样重量也增加。
在电压为20～60V 时,呈现棕色、蓝色、黄色,重量均增加0.3mg;在电压为85V时呈现红色,重量增加到0.6mg;在电压为110V时呈现绿色,重量增加到1.1m g[1,2]。
氧化后重量增加与电压之间关系详见图1。
3.2 氧化膜的组成及结构
第21卷 第3期 稀 有 金 属 1997年5月DOI:10.13373/ ki.cjr m.1997.03.017
图1 钛材氧化层增重与电压的关系
用TN5500X射线能谱仪对试样进行测定,膜层主要由钛和氧组成,并沿着表层分布比较均匀。
同时采用APD-10X射线粉末衍射仪对氧化后的试样进行检测,确定了氧化膜由TiO2和TiO组成。
X射线衍射图像上的TiO2的衍射线,分别对应于(101)、(004)、(200)晶面,2θ角分别为25°40′、38°05′、48°05′,结构为正方晶格。
另可见TiO的衍射线,分别位于(110)、(101)晶面处,其2θ角为36°45′、38°05′,结构为六方晶格。
3.3 氧化膜的厚度
将试样切成半圆形的薄片,其侧面经磨光后酸洗,然后调节电压进行阳极氧化,再经磨光后即可在光学显微镜上观察氧化膜的厚度,其厚度随电压升高而增加,详见表2。
表2 膜层厚度随电压的变化
电压U/V20306085110
膜层厚度/mm0.0050.0080.0110.0130.018 将抛光后的试样在HF∶HNO3∶H2O= 1∶3∶7混合液中侵蚀后,取端面的一部分进行阳极氧化着色,然后在光学显微镜下观察,详见图2。
图中左部是基体组织,右部是连续、致密、透明的氧化膜。
透过氧化膜,可以清晰地看出膜下的显微组织与基体均为等轴α+转变β相。
图2 T C4合金显微组织
3.4 氧化膜的显微硬度
将TA2纯钛和TC4合金金相试样进行阳极氧化,对应不同的电压得到不同厚度的氧化膜。
采用了显微硬度方法,对钛材表面的硬化层进行了测试,发现氧化膜的硬度高于钛材基体的硬度,并且随着氧化膜的厚度增加硬度也增加。
氧化膜的厚度为0.005～0.011mm时,硬度缓慢地提高,当氧化膜厚度为0.013～0.018mm 时,其硬度急剧提高。
TA2纯钛最高显微硬度为3050M Pa,TC4合金最高显微硬度为4050.3M Pa。
本试验氧化膜的硬度变化与电压的关系见图3。
3.5 钛材阳极氧化后的拉伸性能
对TC4合金标准拉伸试样进行阳极氧化后,测试其室温拉伸性能。
图4表示0～110V电压对TC4合金室温拉伸性能的影响。
可以看出阳极氧化后的抗拉强度
234
稀 有 金 属 21卷
图3
钛材氧化膜硬度变化与电压的关系
图4 0～110V 电压对T C4合金室温
机械性能的影响
和屈服强度与无氧化的试样相比略高20～30MPa ,延伸率和断面收缩率略低2%～3%,仍能满足国标GB2965-82要求。
说明钛材表面经阳极氧化后仍具有良好的
拉伸性能。
4 分析讨论
阳极氧化后的氧化层具有很高的显微硬度和良好的拉伸性能。
但是在阳极氧化过程中,电压达110V 时,有烧伤钛材表
面的现象,特别是钛镀层采用过高电压进行氧化时容易击穿镀层。
5 结 论
1.钛材通过阳极氧化,在表面呈现出的丰富色调是一种新的工艺美术方法,可以制成彩色钛板画。
2.钛材阳极氧化膜是由TiO 2和TiO 组成的,具有优良特性,可以广泛应用于工业领域中。
3.阳极氧化工艺简单,不需要昂贵的设备,成本较低。
6 参考文献
1 芦浦保之.チタニウム·ジルコニウム.1975,23(2):75.
2 伊藤英男.チタニウム·ジルコニウム.1975,23(2):79.
(1996年10月22日收到修改稿)
235
3期 脱祥明等 钛及钛合金阳极氧化着色层结构及拉伸性能 。