實(shí)驗(yàn)材料：經(jīng)過(guò)微弧氧化的TC4鈦合金

TC4鈦合金具有優(yōu)良的耐蝕性、小的密度、高的比強(qiáng)度及較好的韌性和焊接性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化工、造船、汽車(chē)，醫(yī)藥等部門(mén)都得到成功的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)微弧氧化的TC4鈦合金表面硬度明顯提高，顯微硬度在1000至2000HV，可達(dá)3000HV，可與硬質(zhì)合金相媲美，大大超過(guò)熱處理后的高碳鋼、高合金鋼和高速工具鋼的硬度；表面具有良好的耐磨損性能、耐熱性及抗腐蝕性。這從根本上克服了鈦合金材料在應(yīng)用中的缺點(diǎn)；從基體原位生長(zhǎng)陶瓷膜，結(jié)合牢固，陶瓷膜致密均勻，因此使TC4鈦合金表面的綜合性能得到明顯的提高。

從圖1可見(jiàn)，三組試樣尺寸相對(duì)較小，樣品表面的氧化層清晰可見(jiàn)，且十分薄。

磨拋尺寸為2㎜、1㎜的最窄的側(cè)面，磨拋之后用掃描電子顯微鏡觀察截面邊緣氧化層中相的形貌，并測(cè)量氧化層所含元素。

若用傳統(tǒng)的手工研磨方法研磨這種很薄的需要看邊緣的金屬，在磨削過(guò)程中由于手工研磨的力度不能均勻控制，且容易將試樣的邊緣倒棱，因此很難得到一個(gè)平整的表面，這樣在觀察過(guò)程中，很難觀察到邊緣的形貌，因此手工研磨成材率很低。相比于手工研磨，用沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司制造的UNIPOL-802自動(dòng)研磨拋光機(jī)來(lái)研磨上訴樣品，由于載樣塊的大小有所不同，因此一次可以研磨的樣品的個(gè)數(shù)有所不同，但是一次都可以研磨多個(gè)樣品，且研磨后的樣品表面平整，都在同一水平面內(nèi)，由于整個(gè)研磨過(guò)程中樣品旋轉(zhuǎn)的速度及對(duì)樣品所施加的壓力恒定不變，因此樣品研磨后邊緣不會(huì)被倒棱且不會(huì)使表面出現(xiàn)弧度。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司制造的UNIPOL-802自動(dòng)研磨拋光機(jī)、MTI-3040加熱平臺(tái)及由沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司銷(xiāo)售的4XC-PC倒置金相顯微鏡，實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備如圖2所示：

實(shí)驗(yàn)耗材：

沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化有限公司銷(xiāo)售的帶背膠水砂紙、毛呢拋光墊、紅色金絲絨拋光墊、金剛石拋光劑、二氧化硅懸浮拋光液、石蠟棒、酒精，實(shí)驗(yàn)中所用耗材如圖3所示：

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

將樣品和載樣塊放在加熱平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)熱，待加熱平臺(tái)的溫度升高到可以使石蠟融化后，將石蠟涂于載樣塊貼樣品的位置，將樣品按序號(hào)排列好依次放在載樣塊的位置。由于單個(gè)試樣與載樣塊的接觸面積較小，在載樣塊上不能黏貼牢固，因此在兩個(gè)試樣接觸的面上也涂上石蠟，使多個(gè)試樣粘貼在一起行成一個(gè)較大的試樣，增大試樣與載樣塊的接觸面積，使試樣在磨削過(guò)程中不會(huì)脫落。粘貼好的試樣如圖4所示：

圖4 經(jīng)加熱平臺(tái)加熱后粘貼的樣品圖

注意：樣品粘貼時(shí)由于幾個(gè)樣品粘貼成一個(gè)樣品，因此粘貼在載樣塊上時(shí)應(yīng)盡量粘貼在載樣塊位置，防止樣品被磨偏。

將粘貼好的樣品放置于UNIPOL-802自動(dòng)研磨機(jī)的研磨盤(pán)上，載樣塊套上修盤(pán)環(huán)，在載樣塊上加0.5kg的負(fù)重，與載樣塊合重0.8kg。研磨盤(pán)上粘貼400#砂紙，定時(shí)2h，水滴速度3-4秒滴一滴。當(dāng)研磨2h之后試樣表面被磨平，裸露出銀白色的金屬基體面。用400#砂紙研磨2h后的樣品的表面形貌如圖5所示：

圖5 用400#砂紙研磨2h后的樣品圖

當(dāng)樣品表面的氧化層被磨掉且各個(gè)樣品被磨平在一個(gè)水平面后，換用600#砂紙對(duì)樣品表面進(jìn)行研磨，定時(shí)研磨5min，使樣品表面由于400#砂紙研磨的產(chǎn)生的劃痕被碾平一些，使劃痕印記變淺。研磨5min后金屬表面亮度有所增加。用600#砂紙研磨5min后的樣品如圖6所示：

圖6 用600#砂紙研磨5min后的樣品圖

接下來(lái)用800#砂紙對(duì)樣品表面進(jìn)行研磨3min，用1500#砂紙?jiān)傺心?min后，樣品表面隨著所用砂紙?jiān)絹?lái)越細(xì)，樣品表面的銀白金屬色越明顯。800#和1500#砂紙研磨完的樣品如圖7所示：

圖7 800#、1500#砂紙分別研磨3min后的樣品圖

樣品研磨完后對(duì)樣品進(jìn)行拋光，拋光墊選用黑色呢子拋光墊，拋光液選用W0.25和W3的金剛石噴霧加少量50μm的二氧化硅懸浮拋光液。在此加入二氧化硅是因?yàn)樯倭康亩趸杩梢栽诒砻娈a(chǎn)生水合過(guò)程將不溶于水的二氧化硅轉(zhuǎn)化成易溶于水的原硅酸（Si(OH)4），原硅酸不穩(wěn)定容易分解成為硅酸（H2SiO3），硅酸與樣品表面的金屬相作用生成硅酸鹽，加速了金屬表面的拋光速度。用W0.25的金剛石拋光劑加少量的二氧化硅懸浮拋光液對(duì)樣品拋光5min后，用肉眼可以觀察到樣品表面已經(jīng)變亮，但是仍有許多細(xì)小的劃痕存在，用顯微鏡對(duì)樣品的表面進(jìn)行觀察可以看到，樣品表面大部分是黃色的光亮區(qū)域，但是表面的劃痕仍然清晰可見(jiàn)，因此應(yīng)繼續(xù)對(duì)樣品表面進(jìn)行拋光，拋光5min后的樣品表面如圖8所示：

（a）肉眼觀察到的樣品形貌 （b）光學(xué)顯微鏡下樣品的表面形貌

圖8 拋光5min后的樣品的表面形貌

繼續(xù)對(duì)樣品表面用同樣的拋光劑再拋光5min后可見(jiàn)，樣品表面更光亮，可以清晰映出外部物體形貌。在光學(xué)顯微鏡下觀察到，小劃痕已經(jīng)不清晰了，但是較大的劃痕印記還很清晰。而且樣品表面開(kāi)始出現(xiàn)了一些微小的小坑。劃痕還很清晰說(shuō)明所用的拋光劑粒度太小，應(yīng)換用型號(hào)較大的拋光劑，因此我們換用W3的金剛石拋光劑加50μm的二氧化硅懸浮拋光液對(duì)樣品拋光。出現(xiàn)小坑說(shuō)明所選拋光墊過(guò)硬，應(yīng)換用更軟的拋光墊進(jìn)行拋光，這里我們換用金絲絨拋光墊再對(duì)樣品進(jìn)行拋光。拋光10min后的表面形貌如圖9所示：

（a）肉眼觀察到的樣品形貌 （b）光學(xué)顯微鏡下樣品的表面形貌

圖9 拋光10min后的樣品的表面形貌

用W3的金剛石拋光劑加50μm的二氧化硅懸浮拋光液噴在紅色金絲絨拋光墊上對(duì)樣品再拋光5min后先用肉眼觀察樣品可見(jiàn)，樣品表面光亮度有了很大程度的提高。用顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察可見(jiàn)，樣品表面的劃痕已經(jīng)不清晰了，微小的凹坑也變得微小了，說(shuō)明換用的拋光劑和拋光墊適合樣品的拋光，因此可以用此組拋光劑和拋光墊繼續(xù)對(duì)樣品進(jìn)行拋光。拋光15min后的樣品的表面形貌如圖10 所示：

（a）肉眼觀察到的樣品形貌 （b）光學(xué)顯微鏡下樣品的表面形貌

圖10 拋光15min后的樣品的表面形貌

再對(duì)樣品拋光5min后用顯微鏡觀察到樣品表面全部變得光亮了，劃痕的痕跡也已經(jīng)看不見(jiàn)，說(shuō)明樣品已經(jīng)*被拋光。對(duì)單個(gè)樣品的邊緣用金相顯微鏡進(jìn)行觀察可見(jiàn)，邊緣的氧化層形貌清洗，且被拋光的十分光亮，說(shuō)明樣品邊緣的膜層與樣品的基體在同一水平面內(nèi)，說(shuō)明自動(dòng)研磨拋光機(jī)研磨的樣品水平度高，能很好的保持樣品邊緣的完整性，此次研磨拋光已達(dá)到要求。拋光20min后的樣品的形貌如圖11所示：

（a）光學(xué)顯微鏡下拋光后樣品的表面形貌 （b）光學(xué)顯微鏡下樣品邊緣的形貌

圖11 拋光20min后的樣品的表面形貌

結(jié)論：

TC4樣品在進(jìn)行拋光時(shí)，當(dāng)對(duì)樣品施加的重量為0.8kg，拋光劑選用W3的金剛石拋光劑加少許50μm的二氧化硅懸浮拋光液，拋光墊選用金絲絨拋光墊時(shí)，拋光時(shí)間應(yīng)在20min以內(nèi)。