Ti6Al4V合金表面微弧氧化陶瓷膜的制备及摩擦磨损性能研究

摘要

钛合金在实际应用中极易因磨损而失效，为使用安全留下隐患。微弧氧化技术能够在钛合金表面形成耐磨性好、硬度高的TiO2陶瓷膜，目前已成为改善钛合金表面耐磨性能的研究热点之一。微弧氧化工艺的影响因素较多，反应过程复杂，目前其反应机理尚未研究清楚。研究各工艺参数对成膜特性及陶瓷膜性能的影响，在实际应用及理论研究方面均有重要意义。
　　 本文实验均在恒流模式下进行。在。Na2SiO3+Na2WO4电解液中对Ti6Al4V合金进行微弧氧化处理，使用XRD、SEM、金相显微镜、球盘磨损仪等检测仪器，研究了电参数、氧化时间对陶瓷膜生长特性、显微结构、相组分、厚度及耐摩擦磨损性能的影响。之后在Na2SiO3+Na2WO4溶液基础上，分别加入Na3PO4、NaAlO2，配制两种混合电解液，研究了溶液体系对膜层性能的影响。研究结果表明：
　　 (1)在不同电流密度、脉冲频率及溶液体系下，电压变化曲线均可分为三个阶段，并分别对应微弧氧化反应的火花放电阶段、火花放电向微弧放电转变阶段及微弧放电阶段。
　　 (2)随电流密度及氧化时间的增加，膜层粗糙度增大。随脉冲频率的增加，膜层粗糙度降低。陶瓷膜主要由金红石相和锐钛矿相TiO2组成，最强衍射峰来自基底钛。随上述三种参数的增大，膜层厚度增加，膜层相组分变化规律相同：基底钛和锐钛矿相TiO2的衍射峰强度显著降低，金红石相TiO2衍射峰增强。电流密度较小时，成膜速率随电流密度的增大而增大，电流密度增加到一定值后，成膜速率明显减小。在微弧氧化初期(5-20 min)随氧化时间的延长，陶瓷膜增长速率加快；在微弧氧化后期(20 min以后)成膜速率降低。
　　 (3)在三种溶液体系中制备的陶瓷膜表面形貌相似。采用Na2SiO3+Na2WO4电解液时，制备的陶瓷膜表面微孔尺寸较大，表面堆积物较少，膜层主要由金红石相和锐钛矿相TiO2组成，最强衍射峰均为基体钛；加入Na3PO4及NaAlO2溶液后，微孔数量增多、尺寸增大，在微孔中存在小的微孔，表面堆积物增多，粗糙度增大，膜层厚度均有所增加，膜层中金红石相增加、锐钛矿相减少；加入NaAlO2后陶瓷膜中还存在尖晶石Al2TiO5。
　　 (4)在恒流模式下，随着电流密度及氧化时间的增加，滑动摩擦的磨合期延长，摩擦系数波动较大。随脉冲频率的增加，陶瓷膜的磨合期缩短，在稳定阶段的摩擦系数降低，摩擦系数波动变小。当电流密度较小时，随电流密度的增大，稳定阶段的平均摩擦系数增加，磨损量有小幅增加；电流密度较大时，稳定阶段的平均摩擦系数有所降低，磨损量大幅增加。氧化时间由10 min延长至20 min时，磨损量增加近一倍，由20 min延长至30 min后，磨损量增加极小。频率对试样的磨损量几乎没有影响。
　　 (5)在Na2SiO3+Na2WO4溶液中分别加入Na3PO4和NaAlO2后，陶瓷膜滑动摩擦的磨合期均有所缩短，陶瓷膜磨损量增量相近。加入Na3PO4后，摩擦系数波动及稳定阶段系数均有所降低；加入NaAlO2后，摩擦系数波动较大，稳定阶段摩擦系数降低。