引言

    钛合金由于其比重小，比强度高，较强的耐蚀性能，在航天、军事等领域应用越来越广泛（比如空间相机中的镜筒、结构件等），当钛合金用作镜筒等部件时，经常需要做染黑等消光处理，在诸多染黑工艺中数阳极氧化工艺较稳定、操作简单，污梁小、零件的表面准备状态对后续加工影响很大，不仅仅是影响到阳极氧化的染黑膜层，零件的力学性能都受表面质量的影响。因此表面前处理必须给予充分的重视。目前钛合金染黑大都应用在国防应用等相关领城，因此和它有关的文刊介绍都比较少，关于钛合金染黑的工艺的开发在远远滞后于铝合金、钢件染黑。本文介绍的钛合金前处理工艺可以解决染黑过程中存在着膜层颜色的不均，结合力差等现象。

    1 成膜机理

    在阳极氧化过程中，钛合金零件表面上发生以下反应：

    H20-2e-=（0）+2H+

    Ti+ (0)=Ti0

    2Ti+3(0)=Ti203

    Ti+2(0)=Ti02

    生成的钛氧化物结构复杂，膜层致密，这种薄膜状物质对光起到干涉作用，随着阳极电压、氧化时间的增加膜层厚度增加，颜色逐渐加深，最终显现为黑色。

    在阳极氧化初期，零件表面的水释放电子析出游离氧，初生态的氧有很强的氧化能力，可以与阳极上的Ti反应生成致密的TiO/Ti02/Ti203，当生成的膜层已经连续均匀后就会阻止表面的反应进行，致密的Ti02膜层电导率极低，会看到电流密度最后变得很低，反应几乎停止，如果零件表面前处理不当十分钟后膜胶不往内部生长，只是表面膨胀，就会导致应力增大脱层脱落。

    2 钛合金染黑前处理工艺

    2.1喷砂酸洗

    钛合金加工过程中局部表面会产生氧化皮 ，它的极低的电导率会阻碍阳极表面的电化学反应，甚至阻止，结果会导致最后生成的染黑层有花斑、结合力差。

    氧化皮主要靠喷砂、酸洗去除，喷砂主要是机械撕裂的作用，将氧化皮打掉，酸洗通过化学反应Ti203+6H-=2Ti++3H20将氧化层溶解从而使金属组织暴露出来。酸洗通常使用以下两个配方:

    配方1腐蚀速度快、价格较低，速度快就会析出大量氢，这种氢活性极高在零件表面不能及时散开就会产生氢脆，会影响零部件的使用寿命。后经改良成配方 2.HNO3具有一定的氧化性使反应变慢、析氢少，可以减少氢脆的产生，喷砂和酸洗可以去除氧化皮，同时增强了表面的粗糙度，可以改变膜层结合力。这道工序会影响到零部件的尺寸精度，工艺控制要求高，否明容易产生废品。

    2.2 除油

    油污的存在会阻碍溶液往电极表面的扩散，在钛合金阳极上就没有活态氧的析出，氧化膜就难以形成。因此油污的地方染黑效果就差，局部会有花斑，增高零件的电极电势可以促使油污的表面形成气化膜，但势必影响到没有油污的部分，造成“过烧”规象，使其氧化膜疏松易脱落。

    除油采用电解除油(阳板)，在溶液中会发生化学反应

    (R000)3C3H5+3NaOH=3RC00Na+C3H5(0H)3

    生成肥皂和甘油均可溶于水中，阳极反应40H--4e-=02↑+2H20，生成的氧气以大量的小气泡形式逸出，对油膜起到了撕裂和分散的作用。同时气泡还起到了强烈的搅拌作用，使油污乳化去除，这种工艺除油效果好，也不会影响到材料的机械性能。工艺如下:

 注意不能采用阴极电解除油，当零件做阴极时，表面会有大量活态氢的析出，活态氢的存在很容易使钛合金产生氢脆现象。

    2.3 活化表面改性

    弱侵蚀活化是这道工艺的最大突破，钛合金因其组织致密，氧化时膜层过于致密，会阻碍氧化膜由外向内的发展，膜层太薄黑度不够，如果通过增加阳极电势使氧化膜加深，会使膜层应力增大，发脆，直至脱落，活化工艺中含有活性离子A、B，A可以产生微观点蚀，B与反应掉的钛起络合作用增强表面的均匀性，经活化后的表面产生微观不连续状态可以使氧化膜中的应力高度分散，单位体积应变能小于膜层脱离基体需要做的功(应力小于膜层的结合力)就可以克服膜屋脱落的现象，这道工序使基体表面产生微观凸凹，消光性好，膜层结合力显著提高。

    2.4 改良的工艺流程

    零部件→喷砂处理→电解除油(阳极)→酸洗→活化表面改性→染黑

    3 实验数据分析

    经改良的前处理工艺后氧化出的膜层与最初的工艺比较：

 4 结束语

    针对钛合金阳极氧化的机理，通过改良前处理工艺，可以避免零件尺寸变化大、氢脆现象的发生，可以获得结合力良好的染黑膜层，膜层颜色均匀，消光性良好，基本满足光学镜筒吸光率<1%的使用要求，随着钛合金的应用越来越广泛，对它研发定会更加受到重视，此工艺具有广阔前景。