鈦合金表面等離子電解氧化復(fù)合潤滑涂層及摩擦學特性.pdf

1、鈦合金存在硬度低、滑動摩擦性能差等問題，這在很大程度上限制了其在航空、航天領(lǐng)域的摩擦和磨損部件上的應(yīng)用。尤其是鈦合金是一種熱不穩(wěn)定材料，有效使用溫度通常不超過500℃，在高溫條件下，其力學性能和摩擦學性能嚴重下降。
　　本文從硬質(zhì)陶瓷骨架、表面織構(gòu)形貌和多組元協(xié)同潤滑等方面設(shè)計適用于鈦合金的寬溫域減摩耐磨涂層。采用等離子電解氧化(PEO)技術(shù)制備硬質(zhì)耐磨陶瓷骨架，研究并優(yōu)化電解液配比和工藝參數(shù)。采用一步法和多步法工藝制備等離子電解

2、氧化復(fù)合潤滑涂層，利用石墨或MoS2納米顆粒為潤滑組元，利用硬質(zhì)PEO涂層為耐磨骨架。采用激光表面織構(gòu)化(LST)技術(shù)構(gòu)建規(guī)則分布的微孔陣列，研究表面織構(gòu)與硬質(zhì)陶瓷骨架復(fù)合運用對固體潤滑劑的儲存和承載效應(yīng)。在多孔陶瓷骨架表面制備Ag/MoS2多層潤滑涂層，利用多種固體潤滑組元的協(xié)同潤滑作用，以硫化物MoS2和軟金屬Ag提供室溫到中溫段的潤滑，以儲存Ag的高溫擴散及Ag-Mo高溫自生潤滑氧化物的形成來保證高溫段的潤滑。
　　研究了鈦

3、合金表面PEO涂層及其復(fù)合潤滑涂層在室溫-600℃范圍內(nèi)的摩擦學性能，探討了硬質(zhì)陶瓷骨架、表面織構(gòu)和固體潤滑組元等交叉復(fù)合運用對摩擦學性能的影響，闡述了摩擦表面固體潤滑組元的形成、失效及演化規(guī)律。通過光學顯微鏡和場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)觀察涂層的表面和橫截面形貌，以及摩擦副的磨損表面形貌;利用接觸式粗糙度儀和真彩色共聚焦顯微鏡觀察織構(gòu)化微孔的2D和3D形貌;利用通過X射線衍射(XRD)分析涂層的物相構(gòu)成;通過能譜儀(EDS)、Ra

4、man光譜儀、X射線光電子能譜儀(XPS)分析涂層及磨損表面的主要元素及化學價態(tài)。
　　結(jié)果表明，等離子電解氧化涂層的組分、涂層質(zhì)量及性能取決于電解液構(gòu)成和每個周期內(nèi)單個脈沖的放電能量。在優(yōu)化的電解液(NaAlO212g/L、Na3PO41.6g/L、NaOH0.3g/L)和電解參數(shù)(初始電壓450-500V、脈沖頻率400Hz、占空比20％-30％)下，氧化物陶瓷涂層的整體質(zhì)量和生長速率綜合最佳，具有高厚度和低孔隙率特征，涂層組

5、分除Al2TiO5主要相外，高硬度γ-Al2O3和α-Al2O3相含量增加。優(yōu)選涂層的硬度達鈦合金基體的2.5倍，獲得較高的表面承載能力和耐磨性，磨損率在10-5mm3/(Nm)，比鈦合金基體降低了一個數(shù)量級。
　　多步法工藝制備的激光織構(gòu)化/等離子電解氧化表面潤滑膜的摩擦學性能優(yōu)于一步法制備的含納米顆粒的等離子電解氧化復(fù)合涂層。對于一步法工藝，添加石墨或MoS2納米顆粒，有利于提高PEO涂層的致密性和耐磨性，添加量增加到10g/

6、L時，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)降低到0.45-0.5。對于多步法工藝，表面MoS2潤滑膜有效降低了PEO涂層的摩擦系數(shù)(浸漬MoS2膜降低到0.35-0.38，涂抹MoS2膜降低到0.1-0.25)。激光表面織構(gòu)化和等離子電解氧化雙相處理在鈦合金表面構(gòu)建了由大尺寸織構(gòu)化微孔(直徑200μm)和小尺寸自生微孔(直徑5-9μm)組成的新型表面織構(gòu)，增強了儲存固體潤滑劑的能力，并且捕捉磨屑顆粒;高硬度且多孔的PEO涂層表面，為潤滑膜提供了硬質(zhì)承載和

7、良好的結(jié)合界面。這兩方面共同作用，大幅度延長了表面潤滑膜的磨損壽命。織構(gòu)化微孔面密度的增加(從S=8％到S=55％)和涂層表面粗糙度的降低(從Ra=2.9μm到Ra=1.0μm)，強化了固體潤滑劑的存儲能力，有利于潤滑劑從微孔儲存區(qū)域向接觸表面轉(zhuǎn)移，減少了脆性斷裂形成的硬質(zhì)磨屑顆粒對潤滑膜的損傷，MoS2潤滑膜的有效壽命提高了6倍以上。
　　多孔PEO涂層表面的Ag/MoS2多層潤滑涂層在室溫-600℃的寬溫域內(nèi)具有摩擦自適應(yīng)性和