洪都科技
ＨｏＮＧＤＵＳＣⅡ【ＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹ
钛合金阳极化工艺及膜层
性能测试
吴筱兰李勇亭谢超英
（洪都航空工业集团）（上海交大上海２００２４０）
摘要运用表面处理技术对钛及其合金进行表面改性，从而得到多种彩色膜和厚膜，同时对氧化膜
的各种性能进行测试和分析，为钛合金阳极化的进一步研究提供了一定的技术基础。
关键词钛合金阳极氧化性能测试
ＴｅｓｔｏｎＴｉｔａｎｉｕｍＡｌｌｏｙＡｎｏｄｉｚｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓａｎｄＦｉｌｍＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ＷｕＸｉａｏｌａｎＬｉＹｏｎｇｔｉｎｇＸｉｅＣｈａｏｙｉｎｇ
（ＨｏｎｇｄｕＡｖｉａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＧｒｏｕｐ）（ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
ＡｂｓｔｒａｃｔＭｏｄｉｆｙｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｎｄｉｔｓａｌｌｏｙｓｕｒｆａｃｅｓｂｙａｐｐｌｙｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔ－
ｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｇｉｖｅｓｒｉｓｅｔｏｖａｒｉｏｕｓｃｏｌｏｒａｎｄｔｈｉｃｋｆｉｌｍｓ．Ｉｎｔｈｅｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ａｌｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｏｆｔｈｅｏｘｉｄｅｆｉｌｍａｒｅｔｅｓｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ，ｌａｙｉｎｇｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｙＯｉｌ
ｔｉｔａｎｉｕｍａｕｏｙａｎｏｄｉｚａｔｉｏｎ．
ＫｅｙｗｏｒｄｓＴｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙＡｎｏｄｉｚｉｎｇＰｅｒｆｏｒｍａｎｅｅｔｅｓｔ
１引言
随着洪都集团公司航空产品的研制和发展，钛合金新材料被越来越广泛的应用。钛的比重
小、比强度高，耐蚀性好，耐温区宽，膨胀系数低，导热率低，无磁无毒，是优质的轻型耐蚀结构材
料。钛合金在先进战机上的用量显著增加，对于减轻机体结构重量，提高机体结构寿命具有重
要意义。
目前我公司飞机研制中已选用了多种钛合金材料，其表面处理工艺技术的应用在我公司尚
处于空白状态。因此我们开展了钛合金阳极氧化工艺试验研究，运用表面处理技术对钛及其合
金进行表面改性，得到多种彩色膜和厚膜，并对氧化膜的各种性能进行了测试和分析。
２试验
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万方数据洪都科技
２．１试片材料
ＴＢ６（Ｔｉ一１０Ｖ一２Ｆｅ一３Ａ１）钛合金
ＴＣ４（Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）钛合金
２．２试验条件
阳极化电解槽材料不锈钢
电解槽容积３０Ｌ
阳极化电源交直流可控半波直流电源
２．３钛合金阳极化配方及工艺的选定
２．３．１配方的选定
钛合金阳极氧化可以分别在酸性、中性和碱性溶液中进行，通过试验，本工艺选定在以中性
磷酸铵钠盐为基础的溶液中进行。
２．３．２工艺条件的确定
阳极氧化工艺条件对氧化膜的厚度（颜色）、质量及特性起着决定性的作用，在阳极化工艺
试验中，考察了电解液浓度、ＰＨ值、温度、时间和电压（电流密度）等工艺参数对氧化成膜的影
响，其中的关键工艺参数是电压，它对膜层的影响最大，随着电压升高，氧化膜逐渐增厚。根据
钛氧化薄膜在光干涉作用下致色的原理，不同的薄膜厚度呈现不同的颜色，氧化膜的颜色随厚
度的增加由浅至深地呈规律性变化。膜的颜色与膜层厚度有着一一对应关系（见附表），因此我
们可依据膜层颜色及变化来控制钛合金阳极氧化工艺过程。
附表钛合金阳极氧化电压与氧化膜颜色的关系
电压Ｖ２０３５４５５０５６６０６５７０９０
ＴＣ４淡蓝金黄水红玫瑰红紫罗蓝孔雀蓝蓝绿翠绿褐色
颜色’ＩＢ６淡蓝金黄玫瑰红紫罗蓝孔雀蓝蓝绿翠绿褐色土褐色
２．４工艺流程
有机溶剂除油一干燥（吹干）＿装挂＿化学除油＿＋流动热水洗一流动冷水洗－＋酸洗＿流动
冷水洗一阳极氧化＿＋流动冷水洗’＋热水封闭－＋干燥．＋拆挂＿检验
３氧化膜层性能测试及分析
３．１氧化膜层外观
采用目测法检测，阳极氧化膜层表面能够形成平整、光滑、致密、色彩均匀的天蓝、金黄、玫
瑰红、紫色、孔雀蓝、翠绿等十多种彩色膜及厚膜。
３．２结合力
采用弯曲试验法，即钛合金阳极化后试片通过反复弯曲１８０。，直至与基体断裂，而阳极化膜
层不与基体分离，且无起皮和脱落现象。
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万方数据第ｌ期吴筱兰李勇亭等：钛合金阳极化工艺及膜层性能测试
３．３钛合金阳极化膜层厚度
３．３．１彩色膜厚度
ＴＣＡ及ＴＢ６两组样品，每组的１＃一５＃试
样氧化膜为彩色氧化膜，氧化膜极薄，横截面
金相上无法辨别。通过上海交大材料学院利
用俄歇电子能谱仪测试分析，氧化膜仅１００
—２００ｎｍ。结果见图１。
３．３．２厚膜厚度
１＇Ｃ４—６样和ＴＢ６—６＃试样为阳极氧化的
厚膜，氧化膜横截面形貌如图２、图３所示。
试样厚度最厚可达１３ｕｒｎ，较薄处只有１ｕｍ。图１俄歇电子能谱测试Ｔｉｏ：膜厚结果
图２ＴＣＡ一６柿￡样截面金相图３ＴＢ６—６粕￡样截面金相
３．３．３氧化膜厚度分析
图１是俄歇电子能谱测试的氧及Ｔｉ含量固定的氧化膜厚度，氧化膜与基体之间还有一层过
渡层，其厚度较大，厚薄波动也较大。ＴＣＡ试样过渡层厚度较ＴＢ６试样薄，在７５ｎｍ一１５０ｎｍ之
间，ＴＢ６试样的过渡层较厚，在１７０ｎｍ～２７０ｒｉｍ之间。
３．４氧化膜表面形貌及分析
利用原子力显微镜观察阳极氧化试样表面形貌如图４一图１７所示。
图４ＴＣＡ试样彩色膜表面俯视及立体形貌
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万方数据洪都科技
图５ＴＢ６试样彩色膜表面俯视及立体形貌
图６ＴＣ４试样厚膜表面俯视及立体形貌。
图７ＴＢ６试样厚膜表面俯视及立体形貌
由以上图片不难发现，厚膜试样明显不同于彩色膜试样。彩色膜样品表面不平坦，由抛光
基体表面起伏以及呈小峰状起伏构成，小峰柱排列比较均匀；厚膜试样表面生长的小峰柱要明
显大于彩色膜样品表面生长的峰柱，俯视图中观察到不规则沟壑状形貌，立体图中可清晰看到
相邻大块氧化物之间形成的深沟状形貌。这与横截面金相（图２、图３）观察结果一致，即：氧化
膜呈不连续、堆聚状分布。
３．５氧化膜表面粗糙度分析
利用原子力显微镜配套的软件在同样的１００１山ｍ扫描范围内，做出两组样品的表面粗糙度比
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万方数据第１期吴筱兰李勇亭等：钛合金阳极化工艺及膜层性能测试
较图（见图８）。从图可以看出，Ｔ８６一姊、
ＴＣ４—３＃、ＴＣ４—４＃、ＴＢ６—５＃这四个样
品的表面粗糙度基本相当，但表面的颜
色却分别为金黄色、玫瑰红、孔雀蓝、翠
绿色。因此，可以认为表面粗糙度不是
试样表面氧化膜呈色的主要原因。
３．６、氧化膜成分分析
俄歇电子能谱仪测试Ｔ８６、ＴＣ４二
组试样氧化膜成分～深度分布曲线，结图８两组样品Ｒａ比较图
果如图９、图１０所示。
图９彩色薄膜成分～深度分布曲线
图１０厚膜成分一深度分布曲线
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万方数据洪都科技
由图可见，彩色氧化膜中Ｏ含量为６７％左右，Ｔｉ含量为２３％左右，氧化膜中含少量Ｐ，Ｐ含
量约７％一８％左右。厚膜中Ｐ含量较高，约１２％左右，Ｏ含量为６３％左右，Ｔｉ含量为２３％，由此
可以推断：氧化膜是含Ｐ的氧化钛膜，主要成分为：Ｔｉ（Ｐ）Ｏ：。
３．７氧化膜结构分析
用ｘ射线衍射法进行氧化膜结构分析，样品用的是彩色膜中相对较厚的ＴＣ４—５栉、ＴＢ６—５莽
样品以及ＴＣ４—６＃、ＴＢ６—６＃样品厚膜样品，实验结果表明，试样在低角度２００～３８。衍射区附近
出现馒头峰，这是非晶态的典型特征，说明试样表面含Ｐ氧化物ＴｉＯ：相为非晶体态。
图１１试样ｘ射线衍射图
４结论
（１）我们所选定的钛合金阳极化的电解液是中性配方，它具有良好的氧化成膜特性，避免强
酸性配方易使零件过腐蚀、产生氢脆的危害，工艺适应性广，可操作性好。在同一配方槽液中，
通过控制工艺参数能够生成多种彩色膜和厚膜。
（２）通过对钛合金阳极氧化膜的各种性能测试及其分析，可以全面了解和掌握氧化膜的性
能，这是保证产品质量的重要前提。
（３）通过钛合金表面阳极化工艺试验研究，满足了新产品研制需要，并为钛合金阳极化的进
一步研究和生产建线改造，提供了一定的技术基础。
（收稿日期：２００９—０２—２１）
作者简介吴筱兰，女，１９６６年１１月出生，１９８６年毕业于安徽铜凌学院，副主任工程师。一直从事表面处理试验研究工作。
万方数据钛合金阳极化工艺及膜层性能测试
作者：吴筱兰， 李勇亭， 谢超英， Wu Xiaolan， Li Yongting， Xie Chaoying
作者单位：洪都航空工业集团,上海交大,上海,200240
刊名：洪都科技
英文刊名：HONGDU SCIENCE AND TECHNOLOGY
年，卷(期)：2009，""(1)
被引用次数：0次
1.期刊论文 殷英.邱望标.杨绿.YIN Ying.QIU Wang-biao.YANG Lü 钛合金阳极氧化电解液配方与电源波形的选择
-机械工程材料2005,29(12)
通过摩擦试验、耐腐蚀性等试验,讨论了钛合金阳极氧化着色中电源波形及阳极氧化着色电解液配方对着色膜性能的影响.结果表明:电源波形是钛合
金阳极氧化着色过程的关键因素之一,选择脉冲直流电源可以获得较好的着色膜性能;适当加强钛合金阳极氧化过程中电解液对阳极氧化膜的溶解作用可
以提高氧化膜的生成速度和氧化膜的性能.
2.学位论文 李勇亭 航空用钛合金阳极氧化工艺研究 2005
为了适应钛及其合金在航空新产品中被广泛应用的发展趋势，防止和减轻钛合金与其它金属材料接触时所产生的接触腐蚀倾向，提高钛合金的抗蚀
能力及其表面性能，本文选择了TC4、TB6、Ti-47121三种钛合金材料，采用了阳极氧化的表面改性处理方法，研究确定了钛合金阳极氧化工艺及参数
，并分析各工艺控制参数对成膜的影响；其次，以TB6钛合金材料为研究对象，通过盐雾腐蚀试验方法，对所选定的阳极氧化工艺配方及条件下生产的试
样进行了抗接触腐蚀效果验证、对比实验；另外，初步探讨了钛合金阳极氧化过程的理论依据和氧化膜的组成与结构。
阳极氧化的工艺实验结果表明：经过筛选确定的中性磷酸铵钠盐电解液配方，在优化的工艺参数及控制条件下，所获得的钛合金表面氧化膜层与其
基体金属有良好的结合力，均匀、致密，具有较好的完整性和性能；该工艺稳定性和操作可靠性好，能满足钛合金表面阳极氧化改性处理与工程化生产
应用的要求；此外，采用中性盐配方能够克服酸性配方易使零件过腐蚀、氢脆的倾向。阳极氧化工艺条件对氧化膜的厚度(颜色)、质量及特性起着非常
重要的作用。通过实验可知，在同一配方条件下，各工艺控制参数对成膜的影响程度不同，而关键的工艺参数是电压，其对膜层的影响最大，并且氧化
膜的颜色(厚度)随着电压呈规律性变化，膜的颜色与膜层厚度有一一对应关系，可依据膜层颜色及变化作为控制钛合金阳极氧化工艺过程的手段。
选择以中性磷酸铵钠盐电解液配方工艺条件下进行阳极化处理的TB6(Ti-1023)钛合金材料试样(氧化膜为孔雀蓝色)与不同表面状态、不同牌号的合
金钢和铝合金材料进行接触腐蚀对比实验。结果表明：阳极化Ti-1023钛合金与阳极化铝合金、磷化+涂灰漆合金钢之间几乎不发生接触腐蚀现象，这就
为航空工程实际应用中钛合金与常用的铝合金、结构钢零件接触时会产生的严重接触腐蚀问题的解决提供了一个很好的方法和途径。在优化的阳极氧化
工艺条件下，所获得的钛合金表面氧化膜具有优异的抗腐蚀性能，能有效地降低和消除与其它金属材料之间的接触腐蚀，阳极化钛合金可作为飞机结构
设计及选材所用的连接材料。
通过接触腐蚀实验，对本课题所研究确定的钛合金阳极氧化工艺配方及工艺参数给予了有效性验证和评定。结果表明：所研究确定的钛合金阳极氧
化工艺是行之有效的，能够克服钛合金的某些缺陷并赋予它新的性能，为航空工程化应用奠定了良好的基础。钛合金材料经过阳极化处理后，通过有关
的试验表明，所获得得的氧化膜层改变了其表面的组成与结构，改变了材料表面的光洁度，使得钛合金耐腐蚀性得到提高。说明了金属材料的耐腐蚀性
能与材料的表面成分和表面光洁度这两个因素密切相关，也证实了金属及其合金的抗腐蚀(氧化)性能一般主要取决于金属表面氧化膜的结构和特性的理
论。
3.会议论文 任东民 钛合金阳极氧化工艺 1998
该文叙述了钛合金阳极氧化工艺方法，通过对十三种槽液配方进行实验、筛选，获得了较好的工艺配方，并对在HDP槽液中钛合金阳极氧化的工艺参
数进行了研究，最后提出了TC、钛合金在HDP槽液中采用交流电阳极氧化的新工艺。
4.会议论文 任东民 钛合金阳极氧化工艺 1998
该文叙述了钛合金阳极氧化工艺方法，通过对十三种槽液配方进行实验、筛选，获得了较好的工艺配方，并对在HDP槽液中钛合金阳极氧化的工艺参
数进行了研究，最后提出了TC、钛合金在HDP槽液中采用交流电阳极氧化的新工艺。
5.学位论文 王一栋 钛合金、镁合金新型阳极氧化及电镀工艺研究 2007
本文就钛合金和镁合金的表面处理技术进行了研究，论文前部分（第二、三章）研究了钛合金的阳极氧化及电镀工艺；论文后部分（第四章）研究
了镁合金的阳极氧化工艺。
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。
本文针对目前钛合金表面处理存在的问题，研究并开发出钛合金新型表面处理工艺。研究工作主要包括以下两个方面：
1. 研究并开发了一种钛合金新型抑弧阳极氧化工艺。采用脉动电压阳极氧化技术，在钛合金表面可形成一层光滑致密，厚约2-10 μm，硬度为350-
600 HV阳极氧化膜。研究了电解液组分、氧化电压等工艺参数对膜层厚度和硬度的影响。采用扫描电子显微镜（SEM）检测膜层微观形貌，采用电子能谱
（EDS）和X 射线衍射（XRD）分析膜层元素组成和结构组成。研究表明：电解液组分、氧化电压对氧化过程和氧化膜性能会产生影响。膜层分析表明
：膜层主要还是由Ti 和O 元素组成，同时膜层表面还含有Ni 和P 元素；XRD 图谱除了有Ti 的衍射峰外还含有TiO2 晶态峰，可见膜层是由晶态和非晶
态物质混合组成的氧化膜层。
2. 研究了一种钛合金表面直接电镀镍的新工艺。通过在瓦特镀镍液中添加金属络合剂和金属阳极活化溶解添加剂，对钛电极先采用阳极脉冲电流活
化，再对活化后的钛电极进行阴极脉冲电流沉积，在钛合金表面获得了结合力优良的镍镀层。研究了电解液组分、工艺参数对镀层结合力的影响。
结果表明，当在硫酸镍电解液中添加40 g/L 阳极活化添加剂和采用1.4 A/dm2 阳极脉冲电流对钛合金进行电化学处理时，可使钛合金产生活性溶解
，将脉冲电流切换为阴极电沉积后，便可在钛合金表面沉积一层结合力优良的镍镀层。文章讨论了脉冲阴、阳极平均电流密度，占空比，频率，电解液
组分浓度等电解参数对镍镀层质量的影响，发现当硫酸镍为80 g/L、氯化镍为40 g/L、柠檬酸三钠为15 g/L、葡萄糖酸钠为12 g/L、硼酸为35 g/L、阳
极活化添加剂为40 g/L；温度为60 ℃、pH 值为3.5 左右、频率f 为80 Hz、占空比为20 ％、阴极电流密度为1.4 A/dm2时所获得镍镀层的结合力最佳。
镁合金作为21 世纪“绿色”工程金属，除具有比重小、比强度和比刚度高、导热导电性能好等特点外，还兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能，已
成为现代汽车、电子、通讯等行业的首选材料。本文在本课题组先行研究并开发的新型抑弧阳极氧化工艺基础上进行。该工艺采用脉动电压技术在较高
的电压和电流密度下，对镁合金进行快速抑弧阳极氧化，在其表面形成一层光滑致密，具有较高硬度和优良耐蚀性的阳极氧化膜。针对新工艺在工业生
产中遇到的问题，如：连接不锈钢阴极的铜棒产生腐蚀引入铜离子，以及生成的阳极氧化膜存在局部腐蚀点等，通过试验分析和工业现场生产实践，研
究了镁合金阳极氧化电解液对杂质离子的抗干扰性，以及中试试验中各工艺因素对膜层性能的影响。
6.会议论文 任东民 钛合金阳极氧化工艺 1997
该文叙述了钛合金阳极氧化工艺方法，通过对十三种槽液配方进行实验、筛选，获得了较好的工艺配方，并对在ＨＤＰ槽液中钛合金阳极氧化的工
艺参数进行了研究，最后提出了ＴＣ、钛合金在ＨＤＰ槽液中采用交流电阳极氧化的新工艺。