两种阳极化处理对TC21钛合金力学及摩擦磨损性能的影响

摘要

我国结构用新型钛合金材料在航空领域应用越来越广泛,针对表面处理对钛合金基体力学性能可能带来的影响以及表面处理对钛合金基体摩擦磨损性能的改善这两个实际工程问题,分别研究了微弧氧化处理(MAO)、 阳极氧化处理(AD)对TC21钛合金力学性能带来的影响以及对其摩擦磨损性能的改善,并评估对比了两种表面处理的防护效果。借助SEM观察微弧氧化及阳极氧化膜层的微观结构,按照航空工业相关标准,研究微弧氧化及阳极氧化膜层厚度对TC21钛合金拉伸性能,疲劳性能及摩擦磨损性能的影响规律。通过观察拉伸试样和疲劳试样的宏观断口以及微观区域,明确表面状态对TC21钛合金力学性能的影响规律并分析失效机制。借助扫描电子显微镜、金相显微镜、激光共聚焦显微镜,分析不同膜层对TC21钛合金表面摩擦磨损性能的改善,并确定磨损机制。 研究结果表明:TC21钛合金经过为微弧氧化和阳极氧化处理后,拉伸强度由基体的1130MPa降低至1029MPa和1007MPa,拉伸性能下降5-10%。 同时阳极氧化处理后TC21钛合金拉伸性能下降的更为明显。结合断口形貌观察,微弧氧化过程中产生热应力导致的膜层微裂纹以及阳极氧化过程中产生的孔洞缺陷都对剪切唇产生影响,阳极氧化膜层孔洞垂直于基体且没有致密层,且其数量更多,所以阳极氧化处理在剪切唇区域加速开裂的速度更快,两种阳极化处理都在剪切唇区域加速开裂。 TC21钛合金经过微弧氧化处理后,疲劳强度由657.73MPa降低至632.14MPa,降幅3.9%左右;阳极氧化处理后疲劳强度由657.73MPa降低至458MPa,降幅30.4%左右。即表面处理都降低基体材料的疲劳强度,微弧氧化处理对基体的影响更小。微弧氧化膜层中的裂纹与缺陷导致的多裂纹源开裂,阳极氧化膜层中的孔洞缺陷以及氧化过程中对基材造成的损伤引起的疲劳性能降低,两种阳极化处理都在疲劳源区域对疲劳性能带来影响。 微弧氧化陶瓷层和阳极氧化陶瓷层都会在一定程度上改善TC21钛合金表面的摩擦磨损性能,有效降低了摩擦过程中的磨损量,对基体的保护效果显著增强。通过表面粗糙度,摩擦系数以及三维磨损形貌的分析,在相同的载荷下,随着膜层厚度的增加,磨损程度降低;在相同的厚度下,微弧氧化对于基体的保护效果要优于阳极氧化,同时在小载荷时的保护效果优于大载荷。

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