鈦及鈦合金陽極氧化膜 編制說明

1《鈦及鈦合金陽極氧化膜》根據國標委《國家標準化管理委員會關于下達2022年第二批推薦性國家標準計劃及相關標準外文版計劃的通知》(國標委發(fā)[2022]22號）文件的要求，由西北有色金屬研究院、西安賽隆增材技術股份有限公司、寶鈦集團有限公司、西安莊信新材料科技有限公司負責制定推當今膜材料的綠色、低碳制備技術及新型膜材料的開發(fā)已成為國內外研究及關注的熱點及重點，成為我國戰(zhàn)略新興產業(yè)之一。《中國制造2025》和《面向2030年的中國制造業(yè)》將新材料產業(yè)作為重點發(fā)展的十大領域之一，認為是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Σξ磥戆l(fā)展有著巨大影響的高技術產業(yè)。為積極響應碳達峰、碳中和的國家戰(zhàn)略布局，有效解決能源短缺及環(huán)境污染的嚴峻問題，推動生態(tài)文明建設可持續(xù)發(fā)展，大力發(fā)展新型膜材料成為解決上述問題的有效舉措。圍繞新型膜材料與技術創(chuàng)新，推動產業(yè)可持續(xù)發(fā)展，對實現(xiàn)碳達峰、碳中和的材料產業(yè)發(fā)展指南的通知》，加快發(fā)展新材料，對支撐產業(yè)升級、建設制造強國具有重要戰(zhàn)略意義。九部委聯(lián)合印發(fā)的《新材料標準領航行動計劃》中，明確要求建立新材料等領域標準，加快構建新材料產業(yè)標準體系，提升新材料的產品附加值和產業(yè)競爭力。加快推進新型膜材料產業(yè)研究成為大勢所趨，有著廣闊的鈦合金具有重量輕、強度高、防銹能力好的性能，使用量僅次于鐵與鋁，廣泛應用于宇耐磨損性能差，導電、導熱性能低。因此國內外研究人員大多對其進行陽極氧化，使其各方面性能有所提高。鈦合金通過陽極氧化獲得的薄膜色澤鮮艷、外表光亮，不僅大大提高了鈦合金的外觀狀態(tài)和材料的生物相容性，而且提高了鈦基材料在使用環(huán)境下的耐腐蝕性、耐磨性以及循環(huán)疲勞抗力，使其具有使用價值和美學價值。因此，對鈦及鈦合金表面處理進行制造升級，促進綠色處理技術的發(fā)展成為一個必然。本標準以提升鈦產品工業(yè)發(fā)展質量和效益2為核心，致力于提高鈦及鈦合金陽極氧化膜產品質量的可靠性、穩(wěn)定性、一致性水平，增加高性能、功能化、差別化產品的有效供給，帶動原材料工業(yè)質量品牌整體提升，為制造業(yè)高鈦合金陽極氧化膜的顏色在生產中是可控制的，陽極氧化處理過程中的電化學反應是：Ti→Ti2+→Ti3+→TiO2，其中溫度、電解液的成分和濃度、氧化時間及電流密度等實驗因素對國內外研究人員在鈦合金陽極氧化膜方面進行了大量的研究。沈陽理工大學研究了電壓對鈦合金氧化膜的影響，結果表明電壓是決定膜層顏色的主要因素，不同的電壓可以獲得不同顏色的膜層。北京航空航天大學于2006年開發(fā)出基于酒石酸銨體系的鈦合金堿性陽極氧化工藝，2009年開發(fā)出基于草酸鈉體系的鈦合金堿性陽極氧化方法。上述兩種堿性陽極氧化方法可在較低的能耗、不發(fā)生火花放電狀態(tài)的情況下，在鈦及鈦合金表面快速生成一層光滑、均勻、致密且較厚的陽極氧化膜，且在無氟堿性草酸鈉體系中進行陽極氧化，具有環(huán)保綠色的特點。哈爾濱工業(yè)大學于2010年利用微弧氧化的方法，開發(fā)出具有良好生物相容性的氧化鈦膜。昆明冶金研究院于2013年報導了采用脈沖恒壓的控制方式，利用TiO2膜層在堿性電解得色澤光亮、均勻的陽極氧化膜。該方法所用的陽極氧化電解液屬堿性且成分簡單，對環(huán)境污染少；可根據需要采用不同電壓和PH值調整膜層厚紫色、墨綠色等顏色的樣品，色澤光亮，同時能顯著提高鈦及鈦合金堿性表面硬度和耐磨性能。蘭州理工大學2011年開發(fā)出一種將鈦及鈦合金置于堿性電解液中進行等離子體電解氧化處理的方法，最終在鈦及鈦合金工件表面獲得硬度高、耐蝕、抗磨、減磨的綜合性能優(yōu)異的鈦及鈦合金陽極氧化膜在國外已形成系列產品，美國以美國膜層與復合材料為代表的公司，每年約有1億美金的產值，形成了系列化的產品標準及相應的檢驗規(guī)范，如AMS2488標準。國內西北有色金屬研究院、北京航空航天大學、昆明冶金研究院、蘭州理工大學、洪都航空等單位均已開展了鈦及鈦合金陽極氧化研究，西安賽隆在西北有色金屬研究院的技術支西北有色金屬研究院是金屬多孔材料國家重點實驗室依托單位，是國內最早進行氧化鈦致密/多孔膜材料研究的單位之一。從上世紀80年代3堿性陽極氧化處理的研究和生產，目前已經初步建成了鈦合金堿性陽極氧化生產線，取得了多項技術創(chuàng)新，開發(fā)了多項新產品，尤其在耐磨、致密均勻氧化鈦膜層制備研究方面的水平達到了國際先進水平，取得了具有自主知識產權的制備技術，獲得國家授權合金性能、氧化鈦膜層性能和耐磨性能測試的全套鈦及鈦合金堿性陽極氧化鈦膜性能檢測平2488不同；而HB/Z347-2002、QJ2854-1996等標準近年沒有進一步修訂，且無法覆蓋功能膜層復雜的產品分類與技術規(guī)定。本項目涉及的大多數制品均已研制多年，大多數已突破了技目前，國內外在鈦及鈦合金陽極氧化膜制備及其應用技術方面也展開了大量研究，已成然而，由于我國的鈦合金陽極氧化膜還沒有產品質量檢測和驗收的標準。此外，由于鈦合金產品要求的陽極氧化膜厚度較薄，檢測方法和檢測中的誤差對檢測結果有較大的影響。因此，本標準將綜合考慮國內外鈦及鈦合金陽極氧化膜材料的發(fā)展現(xiàn)狀及前瞻性，通過建立4通過本標準的研究，將有效提高鈦及鈦合金陽極氧化膜材料質量均一性，增強我國鈦及鈦合同時本標準的制定能夠有效的對鈦及鈦合金陽極氧化膜的生產、檢驗、包裝等活動進行規(guī)范，有利于提高鈦及鈦合金陽極氧化膜的產品質量，推進鈦及鈦合金陽極氧化膜的市場應用。針對不同領域對鈦及鈦合金陽極氧化膜的應用要求，對鈦及鈦合金陽極氧化膜的厚度及物理等性能進行了規(guī)定，以解決當前鈦及鈦合金陽極氧60年代國家在三線重點投資建設的稀有金屬材料研究基地和行業(yè)開西省管理。2015年，西北院被省委省政府作為“一院一所”模式在全省乃至全國范圍內示范推包括14個研究所和中心、多個國家級、省級的中試創(chuàng)新平臺，并陸難熔金屬材料、生物醫(yī)用材料、貴金屬材料等多個種類近萬種規(guī)格。西北院本部現(xiàn)有正式職工程院院士2人，獲得國家“萬人計劃”領軍人才、全國創(chuàng)新爭優(yōu)獎狀獲得者、新世紀百千萬人才工程國家級人選、國務院特殊津貼專家等國家級榮譽稱號的高層次人才等國家、省級榮西北院圍繞提高稀有金屬的抗高溫氧化、耐腐蝕、耐磨擦等性能開展工作。擁有一支理論水平高、技術能力強、結構合理的研究隊伍，為我國的相關工業(yè)做出了貢獻。在鈮合金火鉭鎢合金的抗高溫氧化涂層、鉬合金表面的定向鎢涂層、稀有金屬表面微弧氧化涂層、C/C復合材料和石墨表面的金屬化層等方面的研究均取得了重要成果。在鈦的表面加工方面開展了鏡面加工和氧化工藝的研究。在產業(yè)方面研制的鈦陽極，已形成了陰極保護用陽極、氯堿5科學大會獎4項，冶金部工業(yè)學大慶科研成果獎2項，省、部級科技進步二等獎8項，三等西北院從上世紀80年代開始致力于航空航天以及民用領域鈦及鈦合金堿性陽極氧化處理的研究和生產，近年來相繼獲得國家自然基金“鈦鈮合金堿性表面具有微納級次結構暴露高有序陣列的摻雜研究（50902115）”以及“的研發(fā)、中試生產線，取得了多項技術創(chuàng)新，開發(fā)了多項新產品，尤其在耐磨、致密均勻氧化鈦膜層制備研究方面的水平達到了國際先進水平，取得了具有自主知識產權的制備技術，獲得國家授權發(fā)明專利8項，形成了一支專業(yè)從事鈦及鈦合金陽極氧化膜生產的研發(fā)團隊。已建成包括鈦及鈦合金性能、氧化鈦膜層性能和耐磨性能測試的全套鈦及鈦合金堿性陽極氧化鈦膜性能檢測平臺。同時西北有色金屬研究院在鈦及鈦合金產品以及性能檢測標準的制定備為了豐富的標準制定經驗，為本標準的開展西安賽隆增材技術股份有限公司具有全套的鈦及鈦合金陽極氧化膜的生產設備，且人員西安賽隆增材技術股份有限公司、寶鈦集團有限公司、西安莊信新材料科技有限公司、西安泰金新能科技股份有限公司積極參與本標準的調研工作；西安賽隆增材技術股份有限公司提供了本單位相應產品的技術參數報告，為標準的編制提供了大量的鈦及鈦合金陽極氧化膜產品數據；寶鈦集團有限公司，西安莊信新材料科技有限公司為本標準提供了技術支持以及部分產品的檢測數據、驗證等工作。同時標準參與單位針對標準的討論稿、征求意見稿、6預審稿等提出修改意見，確保產品的指標能夠色金屬研究院、西安賽隆增材技術股份有限公司、寶鈦集團有限公司、西安莊信新材料科技有限公司、西安泰金新能科技股份有限公司等單位參加了會議，會議對本項目進行了任務落西北有色金屬研究院在接到項目下達的任務后立即與參編單位成立標準編制工作組，對目標任務進行了分解，明確成員的任務要求，制定工作計劃和進度安排。由于該標準為首次制定，項目運行以來，工作組成員查閱了大量的國內外相關文獻資料，收集、整理、對比分析了相關企業(yè)的技術資料，同時也對本單位內部生產的鈦及鈦合金陽極氧化膜相關產品檢測分析報告、用戶使用狀況等進行了相關資料的收集整理；對國內從事鈦及鈦合金陽極氧化膜并對相應結果進行匯總、分析。結合調研情況和近年來在鈦及鈦合金陽極氧化膜的生產制造在標準編制工作組內部進行了多次交流，廣泛征求意見，對本標準討論稿進行了認真的修改二、標準編制原則和確定主要內容的論據遵循滿足市場需求、技術內容合理、檢測方法可行的原則，既能夠反映國內各生產企業(yè)的技術水平，便于生產，又提高可操作性，便于應用。其技術要求中技術指標取值范圍根據相關企業(yè)技術發(fā)展水平及測試數據進行確定。本標準符合鈦及鈦合金陽極氧化膜行業(yè)的市場應用2.2確定標準主要內容的依據鈦及鈦合金廣泛應用于航空航天、石油鉆采等領域，在這些應用領域為了達到提高耐磨性、隱蔽性能、裝飾性能等的目的，需要在鈦及鈦合金表面制備一層氧化膜。然而，隨著鈦7及鈦合金陽極氧化膜應用的不斷擴大，鈦及鈦合金陽極氧化膜的厚度、耐磨性等性能指標會對其使用壽命產生影響。因此，本標準對鈦及鈦合金陽極氧化膜的關鍵性能指標和工藝性能參數如厚度、電阻、顯微硬度等指標進行了規(guī)定，有利于該產品的制備及驗收，促進該產品表3鈦及鈦合金陽極氧化膜厚度統(tǒng)計表類別牌號單位單位單位單位單位單位X單位X6.55.2Ti-6Al-4V6.28.6Ti-38-6-447.07.36.7牌號單位單位單位單位單位單位X單位X2.232.16.508.76Ti-6Al-4V5.27.512.3Ti-38-6-442.452.1單位1：西北有色金屬研究院；單位2單位3單位4單位5根據表3中各參編單位鈦及鈦合金陽極氧化膜的厚度檢測結果，本標準確定鈦及鈦合金表4鈦及鈦合金陽極氧化膜的厚度類別厚度(μm）Ⅰ類≥1.0Ⅱ類本標準規(guī)定了批量化生產鈦及鈦合金陽極氧化膜耐磨性的測試方法，按照GB/T12967.18表5平均相對耐磨系數(%)統(tǒng)計表牌號單位2-1單位2-2單位2-3單位2-4單位2-5單位單位X單位X單位X313633353231Ti-6Al-4V333532353133Ti-38-6-44303536333736單位1：西北有色金屬研究院；單位2：西安賽隆增材技術股份有限公司；單位X單位X單位X：；根據表5中各參編單位鈦及鈦合金陽極氧化膜的平均相對耐磨系數檢測結果，本標準確四探針電阻率測試儀通用技術條件進行測定，同時根據參編單位產品的實測結果和用戶的要表6氧化膜電阻統(tǒng)計表牌號單位X單位X單位X>10000>10000>10000Ti-6Al-4V3505>10000>10000>10000Ti-38-6-4451788643>10000>10000單位1：西北有色金屬研究院；單位X單位X單位X單位X根據表6中各參編單位鈦及鈦合金陽極氧化膜的電阻檢測結果，本標準確定鈦及鈦合金9本標準規(guī)定了批量化生產鈦及鈦合金陽極氧化膜顯微硬度的測試方法，按照GB/T9790表7氧化膜顯微硬度統(tǒng)計表牌號單位單位單位單位單位單位X單位X單位X單位X320472418421465Ti-6Al-4V343326325373335Ti-38-6-44295526409403470單位1：西北有色金屬研究院；單位X單位X單位X單位X根據表7中各參編單位鈦及鈦合金陽極氧化膜的顯微硬度檢測結果，本標準確定鈦及鈦鈦及鈦合金陽極氧化膜的外觀質量可以直觀反映出氧化膜品質，以及是否因保存不當導產品應均勻、連續(xù)、完整、緊密結合在基體金屬上，應無燒傷、掛灰、疏松、損傷及擦允許缺陷：允許產品表面輕微的水印痕；允許同批零件膜層顏色有輕微的差異；允許焊接零件的焊縫和熱影響區(qū)有不均勻的外觀和鑄件的允不允許缺陷：產品不允許有劃傷、不連續(xù)現(xiàn)2.3主要試驗（或驗證）情況分析針對本標準涉及產品，按照本標準規(guī)定的試驗方法，參編單位對XX、XX提供的鈦及鈦合金陽極氧化膜的主要技術指標進行了驗XX、XX、XX對同一批次產品的鈦及鈦合金陽極氧化膜厚度進行了驗證，分析檢測數據如表8~9所示。從表中可以看出同一批次氧化膜的厚度檢測結果基本一致，且符合標準中表8相關廠家鈦及鈦合金陽極氧化膜的厚度（I類）牌號批次驗證單位I類厚度(μm）Ti-38-6-44批次1西北有色金屬研究院西安賽隆增材技術股份有限公司寶鈦集團有限公司西安莊信新材料科技有限公司西安泰金新能科技股份有限公司表9相關廠家鈦及鈦合金陽極氧化膜的厚度（II類）牌號批次驗證單位II類厚度(μm）Ti-38-6-44批次1西北有色金屬研究院西安賽隆增材技術股份有限公司寶鈦集團有限公司西安莊信新材料科技有限公司西安泰金新能科技股份有限公司證，分析檢測數據如表10所示。從表中可以看出同一批次氧化膜的平均相對耐磨系數(%)表10相關廠家鈦及鈦合金陽極氧化膜的平均相對耐磨系數(%)牌號批次驗證單位平均相對耐磨系數(%)備注Ti-38-6-44批次1西北有色金屬研究院噴磨法西安賽隆增材技術股份有限公司輪磨法寶鈦集團有限公司西安莊信新材料科技有限公司西安泰金新能科技股份有限公司XX、XX、XX對同一批次產品的鈦及鈦合金陽極氧化膜電阻進行了驗證，分析檢測數表11相關廠家鈦及鈦合金陽極氧化膜的厚度牌號批次驗證單位Ti-38-6-44批次1西北有色金屬研究院西安賽隆增材技術股份有限