表面處理是延長輕合金服役壽命和拓寬應用范圍的必要手段。近期，來自長安大學的研究人員針對鎂合金和鈦合金進行等離子電解氧化表面處理，深入研究了其陶瓷復合膜層的增韌、耐磨、耐腐蝕以及抑菌等性能，相關研究成果發表在國際著名期刊：Materials Research Letters，Ceramics International，Materials & Design，Tribology International，Chemical Engineering Journal，Surface and Coatings Technology。論文第一作者分別為博士研究生張震、楊澤慧、毛雅梅和碩士研究生李歡、石磊、鄒海燕，論文通訊作者包括長安大學陳永楠教授、趙秦陽和姜超平副教授、浙江大學占海飛教授、西安理工大學湯玉斐教授、西部材料有限公司康嚴和賽福斯高廣睿教授級高工、西北有色金屬研究院王少鵬教授級高工，合作者包括長安大學李堯副教授、張勇副教授、徐義庫教授、張鳳英教授、邢亞哲教授、西北工業大學花珂教授和西北有色金屬研究院李宏戰教授級高工等。

1. 雙滑移系半共格界面位錯促進納米復合膜層裂紋自愈

原文鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2348661

采用等離子電解氧化(PEO)工藝獲得了原位Y2O3穩定增強的t-ZrO2 (YSTZ)/MgO納米復合膜層，并提出了在YSTZ/MgO納米復合膜層中激活雙滑移系統半相干界面位錯以實現裂紋自愈的思路。高位錯密度伴隨著{101}<101> YSTZ滑移和{111}<101> MgO滑移體系協調了界面變形，從而阻止裂紋萌生和擴展。這種裂紋擴展路徑可以吸收更多的斷裂能，為裂紋偏轉和橋接提供更多機會，從而停止以及閉合裂紋，實現裂紋自愈。

圖1  YSTZ/MgO膜層裂紋自修復機制

2. 特殊取向的半共格界面晶格畸變激活持續位錯釘扎增強納米復合膜層韌性

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.01.105

離子晶體陶瓷由于較強的離子鍵力導致塑性變形能力差，易在晶間產生脆性裂紋。通過PEO工藝成功制備了由釔穩定的四方氧化鋯(YSTZ)和MgO組成的具有優異韌性的納米復合膜層。研究結果表明：Zr/Y-O結合強度的增強提高了離子晶體的界面強度，而晶格畸變激活了(101)YSTZ//(111) MgO半共格異質界面處的連續位錯釘扎，有效地阻礙了膜層的裂紋擴展，膜層韌性提高42%。這些發現為提高陶瓷韌性的設計策略提供了有價值的思路。

圖2 YSTZ/MgO納米復合膜層的增韌

3. 低溫晶粒尺寸對 ZrO2/TiO2復合材料相穩定性的影響

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112741

通過在PEO過程中調整t-ZrO2晶粒尺寸，實現了ZrO2/TiO2陶瓷膜層相變增韌與低溫(293.15 K~203.15 K)之間的平衡。基于ZrO2/TiO2陶瓷膜層的應變能和化學自由能，發現了t-ZrO2晶粒尺寸在低于20 nm時，與相變溫度(Ms)的負相關關系會被破壞。本研究闡明了尺寸效應對Ms的影響，為陶瓷膜層的低溫相變增韌提供了參考。

圖3 尺寸效應對t-ZrO2低溫相變增韌的影響

4. 揭示不同剪切應力下原位合成MoS2-S納米復合膜層的減摩機理

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109587

通過分子動力學（MD）模擬方法，深入探討了MoS2-S納米復合膜層在減少鈦合金磨損中的作用機理。揭示了MoS2-S納米復合膜層在減少鈦合金摩擦和磨損中的有效機制。原位合成的MoS2通過響應切向力來調整層間距離，促進層間滑動，有效降低和穩定摩擦系數。特別是在銷盤磨損條件下，旋轉應力導致的應變和位錯積累增強了膜層的減摩效果。這一發現對于鈦合金等輕合金的膜層技術創新具有重要意義。

圖4  MoS2-S納米復合膜層磨損性能及往復磨損條件下的應變和位錯分布

5. 氧化鋁納米粒子對 TC4合金PEO膜層耐磨性的影響

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.02.332

從PEO膜層硬度提升角度設計耐磨膜層，通過Al2O3納米粒子的加入促進 PEO 膜層中 Al2TiO5 相的形成，而且大部分納米粒子都嵌入到涂層中，從而降低膜層孔隙率以及增加膜層顯微硬度。由于膜層具有較高的顯微硬度，其摩擦性能得到顯著改善，摩擦系數和磨損質量與同類膜層相比明顯降低，該設計具有工藝簡單、性能提升明顯等優勢。

圖5 Al2O3納米顆粒膜層耐磨損性能

6. 增材制造調控生物功能鈦合金析出相取向制備高性能陶瓷膜層

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151325

依據Ti2Cu-(110)取向的原子密排程度低于Ti2Cu-(103)取向，通過增材制造技術(AM)制備了Ti2Cu析出相以(110)取向為主的Ti-Cu合金。由于(110)取向原子密排程度低使得AM-Ti-Cu合金功函數低，因此AM-Ti-Cu合金的耐蝕性差，促進了PEO過程中銅離子的釋放。與傳統Ti2Cu-(103)取向的Ti-Cu合金相比，AM-Ti-Cu合金的低耐腐蝕能力促進了Cu價電子在PEO過程中從4s能級逃逸，從而形成含量較高的納米氧化銅(CuO)。這項研究強調了AM工藝中調節析出相取向的優勢，創新性的從合金設計角度提供了有效制備功能性PEO膜層的方法。

圖6 不同取向Ti2Cu離子釋放能力差異

7. 基于功函數的PEO過程中Cu離子的釋放和CuO/Cu2O的形成研究

原文鏈接： http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2023.130344

研究鈦-銅合金在PEO過程中Cu離子釋放的情況，提出了一種新的方法來提高金屬的抗腐蝕能力。研究發現，低功函數的L-Ti2Cu會更早地釋放Cu+。這些Cu+離子的釋放增加了Cu2O的形成，并隨著電壓的升高進一步氧化為CuO，從而增加了CuO的相對含量。這種CuO相對含量的增加有助于提高抗菌活性和摩擦腐蝕性能，因為高含量的CuO具有明顯的應力響應和潤滑效果。這項研究為PEO氧化溶解過程中Ti-14Cu合金金屬離子釋放和相應金屬氧化物的形成提供了理論。

圖7 基于不同形貌Ti2Cu相的功函數差異與Cu+離子釋放關系