钛阳极氧化是一种电解精加工工艺，通过电流处理钛表面的氧化层。钛制品形成电解池的阳极（正极）；因此得名“阳极氧化”。

阳极氧化在航空航天业有着悠久的历史，1923 年首次用于保护英国水上飞机部件免受盐水腐蚀。如今，航空航天公司仍在使用阳极氧化工艺来保护金属免受老化、磨损和腐蚀的影响。

医疗器械行业也广泛使用钛阳极氧化工艺，因为阳极氧化钛部件无毒且适用于生物医学应用，例如骨科植入物。

钛阳极氧化类型

钛阳极氧化有两种常用类型：2 型和3 型。1 型不太常见，用于专门的高温处理。

2 型阳极氧化钛 – 耐磨性

2 型阳极氧化主要用于耐磨目的：它保护金属表面免受磨损的影响。未经处理的钛部件相互摩擦时会产生钛粉尘，这对于骨科植入物等来说是不理想的结果。2 型阳极氧化可提供耐磨表面，并有助于防止滑动钛表面之间的卡住或摩擦。

2 型阳极氧化钛具有降低摩擦或润滑性的特点，可通过改善关节活动性来帮助接受骨科植入的患者。

对于大多数 2 型钛阳极氧化生产线，AMS 2488是适用规范。航空航天标准组织 SAE International 是 2 型规范的管理机构，该规范上次修订于 2019 年。

对于航空航天应用，2 型阳极氧化部件与航空液体兼容，可承受 -70 °F 至 260 °F 范围内的极端温度。2 型阳极氧化钛可抵抗盐水和湿气造成的腐蚀。

2 型阳极氧化钛部件具有独特的灰色。这使得它们很容易与不锈钢或彩色阳极氧化钛区分开来。

在这张牙种植体硬件的照片中，中间的螺丝具有 2 型阳极钛合金饰面。

值得注意的是，与类型 3 相比，类型 2 钛阳极氧化需要额外的处理。经过类型 2 钛阳极氧化后，零件会呈现白色薄膜。喷砂是去除白色薄膜并在钛零件上实现特有灰色饰面的必要最后步骤。

3 型钛阳极氧化 - 彩色钛

3 型钛阳极氧化也称为钛色阳极氧化。3 型彩色阳极氧化在医学界广泛使用，用于快速目视识别部件。例如，手术中的骨科医生可以简单地要求使用蓝色骨螺钉，而无需指定螺钉的 12 毫米长度。

另一个利用颜色编码协助医生和医师的例子是骨外科医生用来治疗创伤性骨折的骨固定板。这些骨固定板具有不同颜色的钻孔导向器，以指示左右板之间的解剖差异。

3 型钛色阳极氧化在航空航天工业中不太常见，但有时用于在复杂组件中进行快速目视识别。

在医疗器械和航空航天工业之外，3 型彩色钛饰面也用于珠宝制造。

钛颜色表

与 2 型相比，3 型钛色阳极氧化缺乏总体行业规范。AMS 2488 未涉及彩色阳极氧化，并且没有行业标准来定义 3 型光谱中的特定颜色。这使得不同批次的零件颜色匹配成为一项真正的挑战。

3 型钛色阳极氧化缺乏标准，这意味着制造商必须从头开始建立自己的工艺验证，而不是从行业规范提供的框架开始。

阳极氧化如何对钛进行作用？

阳极氧化是一种电化学过程，利用电和化学来处理钛的氧化层。钛部件作为阳极（正极），浸入水性电解质溶液中，例如磷酸三钠 (TSP) 或各种盐。当通电时，水分子发生水解并分解为氢和氧。电势迫使氧气到达钛表面，增加薄薄的氧化钛层。对于彩色阳极氧化，最终感知的颜色取决于氧化层的厚度，可以通过改变电压和浸没时间来调整。

钛色阳极氧化如何工作？

钛阳极氧化机可操纵钛表面的氧化层，产生“色彩幻觉”。钛氧化层由于干涉现象而产生色彩感，类似于棱镜。光线从氧化层和下面的钛以不同角度反射，这些反射相互干扰。某些波长的光相互抵消或结合，因此剩余的光被视为颜色。与铝阳极氧化不同，无需染料即可产生色彩感，从而增加了成品部件的生物医学安全性。

当钛暴露在大气中时，氧气会与钛表面发生反应，钛表面会自然形成一层氧化层。这种氧化过程自然发生在许多元素中，薄薄的保护性氧化层有助于防止其与空气或水进一步发生反应。

氧化层刚形成时厚度约为 1-2 纳米（10-20 埃），但在空气中会继续生长。如果不进行阳极氧化，氧化层通常会长到 20-25 纳米（200-250 埃）。

然而，在彩色钛阳极氧化中，氧化层的厚度是可以增加和控制的。例如，通过将氧化层厚度增加到约 300 至 350 埃，可以实现青铜色（钛色谱中最薄的颜色层）。在钛色谱的另一端，可以通过将氧化层厚度增加到 500 至 550 埃来实现绿色（最厚的颜色层）。

由于氧化钛层的整个颜色范围在二十五亿分之一米以内（一纳米是十亿分之一米），因此毫无疑问该过程需要精确的精度和高质量的阳极氧化设备才能达到最佳效果。

需要注意的是，并非所有颜色都可以通过钛阳极氧化产生。特别是，由于光学干涉现象的物理原理，红色阳极氧化钛是不可能的。最接近红色的颜色是洋红色、玫瑰色（红紫色）或紫色。

钛色阳极氧化设备及槽体

如何进行 3 型彩色钛阳极氧化

化学

在 3 型彩色阳极氧化中，钛部件浸入电解质溶液中。最常见的化学方法是使用磷酸三钠 (TSP)，形成碱性溶液；但是，还有很多选择。该化学方法用于为电解过程提供离子，但不会直接影响钛表面。

电

阳极氧化工艺的电气部分需要专用整流器，这是一种将交流电 (AC) 转换为直流电 (DC) 的电气设备。整流器允许您将电压调节到您指定的水平并控制电流强度。

在钛阳极氧化中，电压决定颜色。彩色钛阳极氧化的电压范围在 15 至 110 伏之间。大约 16 伏可实现氧化层最薄的青铜色。106 伏可实现氧化层最厚的绿色。

相反，电流强度决定所需时间。通过增加电流强度，氧化层形成得更快。但增加电流强度会带来颜色输出不一致的风险，因为阻止氧化层以正确的颜色堆积会变得太困难。产品尺寸决定电流强度；通常，产品越大，使用的电流强度越大。

钛阳极氧化工艺步骤

1. 高碱性清洗– 使用高碱性清洁剂进行常规清洗可确保去除所有有机物。有机物会阻碍阳极氧化准备步骤，并妨碍形成均匀一致的颜色。

2. 冷冲洗– 确保从部件上清除所有碱性清洁剂。建议进行断水测试。（水应从部件上流下，而不是形成水珠。形成水珠意味着部件上仍有油或油脂，会导致阳极氧化失败。）

3. 热冲洗

4. 阳极氧化准备– 准备钛表面以接收氧化层是该工艺中最重要的步骤。为了获得一致的颜色，氧化层必须均匀分布在零件的整个表面上。准备化学方法有很多种，例如：

• 硝酸和氢氟酸

• 硝酸

• 盐酸等

5. 冷冲洗

6. 碱性中和

7. 冷冲洗

8. 阳极氧化工艺– 磷酸三钠 (TSP)

9. 冷冲洗

10. 热冲洗

钛阳极氧化最佳实践

表面处理，也称为阳极氧化处理，对于实现钛的一致颜色至关重要。钛表面的处理方式必须支持氧化层的均匀分布。阳极氧化处理需要去除一层薄薄的材料，以形成均匀的表面，以进行彩色阳极氧化。钛的等级决定了处理的水平；钛的纯度等级（例如 2 级）比钛合金（例如 5 级、钛 6AI-4V）需要更严格的表面处理。

表面处理后，时间至关重要。阳极氧化过程应在阳极氧化准备后立即进行。否则，在暴露于氧气（空气、水）后 6-8 小时内，氧化层将与阳极氧化分开形成。在氧化层已经形成后对零件进行阳极氧化会导致不理想的斑点颜色图案。

表面光洁度是影响颜色外观的最大因素之一。如果零件加工不良，部分表面区域可能会变硬或变脏。通电后，变硬或变脏的区域会减慢电流，导致颜色不一致且不协调。例如，钛零件可能呈现洋红色和金色斑点，或呈现蓝色和青铜色斑点。

钛金属表面处理也决定了最终颜色的亮度。换句话说，如果钛部件在阳极氧化之前具有喷砂表面处理，则阳极氧化后成品部件将继续具有哑光外观。与 2 型不同，钛色阳极氧化工艺不会影响表面处理的亮度。

修复彩色钛阳极氧化中的错误

由于阳极氧化涉及处理钛上的氧化层，因此可以使用高碱性清洁剂轻松去除该层。这使得从彩色阳极氧化中的错误中恢复相对容易。要解决以下类型的问题，请使用高碱性清洁剂去除氧化层，然后重复阳极氧化准备和阳极氧化过程。

• 过度阳极氧化：例如，如果某个部件变成了洋红色，但原本应该是金色。

• 由于阳极氧化准备和阳极氧化过程之间的延迟导致颜色不和谐或颜色斑点。

使用专门为彩色钛阳极氧化制造的钛阳极氧化设备来处理零件有助于控制过程以实现一致的钛颜色。

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