Ti6Al4V合金微弧氧化涂层的形成机制与摩擦学行为

摘要

为了在Ti6Al4V合金表面获得良好的减摩涂层，本文进行了Si-P-(Al或Mo)、P-F-Al及 Al-C三种电解液体系中的微弧氧化试验，并优选出最佳工艺参数。利用XRD、SEM、EPMA、XPS、TEM等手段对涂层的微观组织结构进行了分析，研究了涂层的形成机制，并测试了涂层在滑动与微动条件下的摩擦学性能。
　　试验表明，涂层内层致密、外层疏松，表面多微孔(孔径2～5μm)。同一电解液中单脉冲的放电能量是决定涂层生长速率与组织结构的主要因素。恒流比恒压氧化时涂层生长速率高，但表面疏松。恒流＋脉冲参数分级式调节使脉冲能量合理分配，能提高涂层生长速率及表面质量。
　　涂层的组织结构主要取决于电解液体系。Si-P-(Al或 Mo)涂层由纳米晶(<50nm)金红石和锐钛矿 TiO2组成，并有少量SiO2和非晶化合物。P-F-Al涂层由纳米晶(<60nm)金红石 TiO2及 AlPO4相组成。Al-C涂层由板条形(宽～100nm，长几百nm)Al2TiO5构成，内层有少量Al2O3及Ti2O相。
　　P元素在邻近膜基界面的内层富集表明，微弧放电时形成贯穿涂层的放电通道，PO43-离子以放电通道“短路径”向膜基界面迁移，新涂层产物形成于膜基界面邻近区域。通道内熔融产物冷电解液及基底的瞬间冷却，凝固并沉积于通道内壁。冷却时产生的温度梯度，导致通道边缘形成柱状晶。
　　与基底接壤的新生涂层为纳米晶（仅几 nm），反复放电使新生层向基底侧推移。放电在膜基界面或其邻近区域产生，但局部瞬间高温不改变基底的原始组织。在初始阶段涂层以向基底外侧生长为主，黄色火花出现后涂层以向内生长为主，向外生长的涂层厚度小于总厚度的30％。
　　涂层致密层硬度高，疏松层硬度较低，但高于 Ti6Al4V基底硬度。Si-P-Al、P-F-Al及Al-C涂层最高显微硬度分别为HV800、HV580和HV800。不同涂层硬度的差别主要取决于涂层相组成。Si-P-Al、P-F-Al及 Al-C涂层的剪切膜基结合强度分别为70MPa、40MPa和110MPa。涂层破坏有两种方式：膜基界面处的脱层破坏及涂层内部的内聚破坏，内聚破坏越显著则结合强度越高。不同涂层经500℃温差50次热冲击后，涂层不剥落，表明涂层抗热震性良好。涂层自身物相结构与致密性决定抗腐蚀性依次为Al-C涂层>Si-P-Al涂层>P-F-Al涂层>Ti6Al4V基底。
　　滑动干摩擦时，未抛光的各种涂层与GCr15钢球对磨时摩擦系数高（0.7左右），抛光后摩擦系数显著降低（约0.2），摩擦后期对偶钢球发生的氧化磨损机制导致摩擦系数逐渐增大。抛光Si-P-Al与P-F-Al涂层的减摩性能好于 Al-C涂层。Si-P-Mo涂层更加致密，抛光前后均具有良好的减摩性能（摩擦系数约0.2）。
　　微动干摩擦时， Si-P-Mo涂层与Ti6Al4V合金的摩擦系数同处在0.8～1.0，没有显示出微弧氧化处理的优越性，但可有效抑制微动裂纹和严重粘着的产生。微动油润滑摩擦时，未经微弧氧化处理的Ti6Al4V合金摩擦系数由原来的0.8～1.0下降到0.6～0.8，而经微弧氧化后摩擦系数则下降到0.1左右，且长期保持稳定。

目录

Ti6Al4V合金微弧氧化涂层的形成机制与摩擦学行为

FORMMATION MECHANISM AND TRIBOLOGICAL BEHAVIOR OF MICROARC OXIDATION COATINGS ON TI6AL4V ALLOY

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 微弧氧化技术研究概况

1.3 微弧氧化涂层制备工艺方法

1.4 影响微弧氧化涂层质量的因素

1.5 钛合金微弧氧化涂层的组织结构

1.6 钛合金微弧氧化涂层的性能

1.7 微弧氧化复合涂层

1.8 钛合金微弧氧化技术存在的问题

1.9 本文目的及主要研究内容

第2章 试验材料及研究方法

2.1 试验用主要原材料

2.2 微弧氧化工艺参数与涂层成分设计

2.3 涂层组织结构及成分分析

2.4 涂层基本性能测试

2.5 涂层摩擦学性能测试

2.6 涂层抗腐蚀性能测试

第3章 微弧氧化电参数的优化与控制

3.1 电参数对涂层生长与组织结构的影响

3.2 恒流与恒压制度的比较研究

3.3 电参数阶段式调节制度

3.4 本章小结

第4章 不同电解液中微弧氧化涂层的组织结构与形成机理

4.1 Si-P-Al涂层的生长与组织结构

4.2 P-F-Al涂层的生长与组织结构

4.3 Al-C涂层的生长与组织结构

4.4 微弧氧化涂层形成机理探讨

4.5 本章小结

第5章 微弧氧化涂层的力学与抗腐蚀性能

5.1 微弧氧化涂层的显微硬度

5.2 微弧氧化涂层膜基结合强度评定

5.3 微弧氧化涂层抗腐蚀性能

5.4 本章小结

第6章 微弧氧化涂层的滑动摩擦行为

6.1 Ti6Al4V的滑动摩擦特性

6.2 不同结构微弧氧化涂层的滑动摩擦特性

6.3 Si-P-Mo涂层的滑动摩擦行为

6.4 本章小结

第7章 微弧氧化涂层的微动摩擦行为

7.1 Ti6Al4V的微动摩擦行为

7.2 Ti6Al4V微弧氧化涂层的微动摩擦行为

7.3 Ti6Al4V与其微弧氧化涂层的微动摩擦学性能比较

7.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

附录

原创性声明及使用授权书

致谢

个人简历