Ti6Al4V合金微弧氧化涂層的形成機制與摩擦學行為.pdf

1、為了在Ti6Al4V合金表面獲得良好的減摩涂層，本文進行了Si-P-(Al或Mo)、P-F-Al及 Al-C三種電解液體系中的微弧氧化試驗，并優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)。利用XRD、SEM、EPMA、XPS、TEM等手段對涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)進行了分析，研究了涂層的形成機制，并測試了涂層在滑動與微動條件下的摩擦學性能。
　　試驗表明，涂層內(nèi)層致密、外層疏松，表面多微孔(孔徑2～5μm)。同一電解液中單脈沖的放電能量是決定涂層生長速率與組織結(jié)

2、構(gòu)的主要因素。恒流比恒壓氧化時涂層生長速率高，但表面疏松。恒流＋脈沖參數(shù)分級式調(diào)節(jié)使脈沖能量合理分配，能提高涂層生長速率及表面質(zhì)量。
　　涂層的組織結(jié)構(gòu)主要取決于電解液體系。Si-P-(Al或 Mo)涂層由納米晶(<50nm)金紅石和銳鈦礦 TiO2組成，并有少量SiO2和非晶化合物。P-F-Al涂層由納米晶(<60nm)金紅石 TiO2及 AlPO4相組成。Al-C涂層由板條形(寬～100nm，長幾百nm)Al2TiO5構(gòu)成，內(nèi)

3、層有少量Al2O3及Ti2O相。
　　P元素在鄰近膜基界面的內(nèi)層富集表明，微弧放電時形成貫穿涂層的放電通道，PO43-離子以放電通道“短路徑”向膜基界面遷移，新涂層產(chǎn)物形成于膜基界面鄰近區(qū)域。通道內(nèi)熔融產(chǎn)物冷電解液及基底的瞬間冷卻，凝固并沉積于通道內(nèi)壁。冷卻時產(chǎn)生的溫度梯度，導致通道邊緣形成柱狀晶。
　　與基底接壤的新生涂層為納米晶（僅幾 nm），反復放電使新生層向基底側(cè)推移。放電在膜基界面或其鄰近區(qū)域產(chǎn)生，但局部瞬間高溫不

4、改變基底的原始組織。在初始階段涂層以向基底外側(cè)生長為主，黃色火花出現(xiàn)后涂層以向內(nèi)生長為主，向外生長的涂層厚度小于總厚度的30％。
　　涂層致密層硬度高，疏松層硬度較低，但高于 Ti6Al4V基底硬度。Si-P-Al、P-F-Al及Al-C涂層最高顯微硬度分別為HV800、HV580和HV800。不同涂層硬度的差別主要取決于涂層相組成。Si-P-Al、P-F-Al及 Al-C涂層的剪切膜基結(jié)合強度分別為70MPa、40MPa和110

5、MPa。涂層破壞有兩種方式：膜基界面處的脫層破壞及涂層內(nèi)部的內(nèi)聚破壞，內(nèi)聚破壞越顯著則結(jié)合強度越高。不同涂層經(jīng)500℃溫差50次熱沖擊后，涂層不剝落，表明涂層抗熱震性良好。涂層自身物相結(jié)構(gòu)與致密性決定抗腐蝕性依次為Al-C涂層>Si-P-Al涂層>P-F-Al涂層>Ti6Al4V基底。
　　滑動干摩擦時，未拋光的各種涂層與GCr15鋼球?qū)δr摩擦系數(shù)高（0.7左右），拋光后摩擦系數(shù)顯著降低（約0.2），摩擦后期對偶鋼球發(fā)生的氧化磨

6、損機制導致摩擦系數(shù)逐漸增大。拋光Si-P-Al與P-F-Al涂層的減摩性能好于 Al-C涂層。Si-P-Mo涂層更加致密，拋光前后均具有良好的減摩性能（摩擦系數(shù)約0.2）。
　　微動干摩擦時， Si-P-Mo涂層與Ti6Al4V合金的摩擦系數(shù)同處在0.8～1.0，沒有顯示出微弧氧化處理的優(yōu)越性，但可有效抑制微動裂紋和嚴重粘著的產(chǎn)生。微動油潤滑摩擦時，未經(jīng)微弧氧化處理的Ti6Al4V合金摩擦系數(shù)由原來的0.8～1.0下降到0.6～0