钛及钛合金多弧离子镀涂层的腐蚀性能

钛合金具有较高的比强度，相较传统钢材更加质轻，具有优良的抗蚀性、抗蠕变性能，已被广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车工业、生物医疗等领域[1]。工业纯钛(CP-Ti)是一种骨科植入物中常用的钛材，与TC4钛合金相比，其杂质含量较低、韧性好，在船舶零部件、化工设备等方面也有成熟的应用[2?4]。然而钛及钛合金表面自然生长的钝化层TiO2，在还原介质如盐酸等含Cl?溶液中极不稳定；同时，溶解在多孔的TiO2中的氢可能导致合金氢脆和突然失效[2?5]。有效解决上述缺陷的方法之一是对钛及钛合金进行表面处理，国内外对钛合金的表面处理后的耐蚀性改进进行了大量研究，常海等[6]在电解液中加入SiC纳米颗粒后利用微弧氧化技术在TC4钛合金上制备陶瓷涂层，不仅增加了涂层厚度、抑制了表面裂纹产生，而且通过增大腐蚀电位和减小腐蚀电流密度改进了基体的耐蚀性。张琪等[7]采用磁控溅射和微弧氧化的方法在海水管系TC4钛合金表面制备了TiO2、ZrO2/TiO2和Zn-ZrO2/TiO2涂层，电化学腐蚀试验证明ZrO2/TiO2涂层有最好的耐蚀性。BONU等[8]在TC4基体上制备超薄多层Ti/TiN涂层并添加金属应力吸收层，冲蚀试验证明在涂覆涂层后其冲蚀率大幅下降，并且在空气中退火100 h后耐蚀性也没有明显下降。

Ta及Ta-W合金具有力学性能好、耐高温、高密度、化学性能稳定、抗腐蚀能力强和塑性加工性能好等优点，被认为是最理想的抗烧蚀材料之一[9]。钽具有力学性能优良的体心立方α-Ta，以及硬而脆的β-Ta两种结构[9?10]。国内外已有许多关于生物植入物用钛合金镀钽及钽的化合物的电化学腐蚀性能的研究，HEE等[11]发现磁控溅射法制备的Ta涂层对TC4合金的耐蚀性有明显改善，即与基体相比，涂覆Ta涂层后腐蚀电位变正、腐蚀电流密度降低。在HEE[12]的另一项研究中，为了提高Ti-13Nb-13Zr的耐磨和耐腐蚀性，采用阴极真空电弧沉积的方法制备了Ta涂层。结果表明，Ta涂层对Ti-13Nb-13Zr基体的耐磨性没有明显改善，但因其高电容特性而对基体的耐蚀性有较大提升。XU等[13?15]研究了在TC4基体上采用双阴极辉光放电反应溅射技术镀β-Ta2O5涂层的耐蚀性能。相较基体，β-Ta2O5涂层的腐蚀电位更正、腐蚀电流密度更小，其电荷转移电阻增大了一个数量级且具有优良的介电性能。RAHMATI等[16]研究了在TC4上磁控溅射TaO2涂层的耐蚀和耐磨性，二氧化钽涂层的腐蚀电流密度从基体的6.770×10?7 A/cm2降低到2.560×10?7 A/cm2。MA等[17]采用磁控溅射和离子注入相结合的方法在Cr12MoV合金表面沉积了Ta/TaN复合涂层，研究表明Ta/TaN复合涂层的耐腐蚀性能和与基体的结合力均优于单一的TaN涂层。

虽然已有大量对纯钽膜[11?12]、氧化钽膜[13?16]、钽的复合镀层[17]的研究，但这些研究依然存在涂层制备方法较为复杂、应用环境较为单一等问题。离子镀技术是在20世纪60年代初基于真空蒸镀与真空溅射技术发展起来的一种新兴的表面处理技术，该技术为现今使用广泛且最为先进的表面处理技术之一，多弧离子镀技术是离子镀的一种改进方法，其不仅具有真空离子镀技术的优点，还具有高离化率、弧光放电可控、设备简便等优势[18]。钨是一种难熔金属，与钽类似，可固溶于钽中从而提高钽的化学稳定性。此外，Ta- 10W是Ta-W合金中开发最充分、应用最广泛的材料，其获取途径简便快捷[19]。因此本文以Ta-10W为靶材，采用多弧离子镀技术分别在TC4和CP-Ti表面制备Ta-10W涂层，通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)、动电位极化和电化学阻抗谱等表征手段和实验方法，研究该体系在林格溶液及模拟海水溶液两种环境中的腐蚀行为，探究Ta-10W涂层对CP-Ti和TC4基体耐腐蚀性能的影响及不同体系腐蚀过程的机理，为Ta-10W涂层在人体及海洋环境中的应用提供理论基础和实验依据。

1 实验

1.1 Ta-10W涂层的制备

采用TC4及CP-Ti作为基体材料，TC4成分为：Al5.5%~6.8%，V3.5%~4.5%，Fe≤0.25%，O≤0.2%(均为质量分数)和Ti余量，靶材采用Ta-10W(0.9Ta, 0.1W)。将基材切割成尺寸为20 mm×60 mm×4 mm的薄板，使用金相砂纸进行逐级打磨(由400#打磨至1 200#)，表面处理至无明显划痕，丙酮清洗并烘干待用。采用MSP?1000型多弧离子镀镀膜机分别对不同基体涂镀Ta-10W涂层，其工艺参数如表1所列[20]。

1.2 测试与表征

将涂镀了Ta-10W涂层及未镀涂层的CP-Ti和TC4板材切割成尺寸为10 mm×10 mm×4 mm的试样，使用丙酮清洗表面油污并烘干。以10 mm×10 mm的表面为工作面，将铜导线焊接至非工作面并用不导电的镶料牙托粉进行镶嵌，充分暴露工作面，镶样后再用丙酮清洗表面烘干待用[21]。

文章来源：《中国表面工程》 网址: http://www.zgbmgc.cn/qikandaodu/2021/0223/460.html