作者簡(jiǎn)介

通訊作者 宋影偉 研究員

博士，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所博士生導(dǎo)師，研究部主任。主要從事輕合金的腐蝕與防護(hù)研究，研發(fā)的鎂合金防護(hù)涂層已批量應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。發(fā)表論文80多篇，總計(jì)他引超過(guò)3000次，獲得發(fā)明專利10項(xiàng)。先后承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、973、國(guó)際合作等課題多項(xiàng)。入選“遼寧省百千萬(wàn)人才工程”百人層次，“沈陽(yáng)市領(lǐng)軍人才”，榮獲“遼寧省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)”“中國(guó)腐蝕與防護(hù)杰出青年學(xué)術(shù)獎(jiǎng)”，Elsevier 2020中國(guó)高被引學(xué)者等。

文章簡(jiǎn)介

鈦合金耐磨微弧氧化制備技術(shù)的研究進(jìn)展

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鈦合金由于其質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，尤其耐蝕性優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于海洋、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。但鈦合金硬度較低，摩擦因數(shù)高，粘著磨損、磨粒磨損和微動(dòng)磨損傾向大，極大限制了其作為摩擦部件的應(yīng)用。通過(guò)微弧氧化技術(shù)對(duì)鈦合金進(jìn)行處理，可以有效提高其耐磨性。但影響微弧氧化膜耐磨性的因素很多，本文詳細(xì)論述了成膜電解液、電參數(shù)及不同復(fù)合處理方式對(duì)鈦合金微弧氧化耐磨性的影響。

關(guān)鍵詞：鈦合金；微弧氧化；耐磨性；復(fù)合處理；納米顆粒

01 背景介紹

鈦合金由于其良好的特性，在科技核心領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮螅伜辖鹱陨碛捕容^低，耐磨性差，這極大地限制了其作為摩擦部件的應(yīng)用。為了改善鈦合金的摩擦學(xué)性能，通常需要對(duì)其進(jìn)行表面改性，常用的處理方法包括微弧氧化、激光熔覆、磁控濺射、溶膠凝膠、電鍍等。其中，微弧氧化技術(shù)具有環(huán)保、高自動(dòng)化程度等優(yōu)點(diǎn)，在外加電源的作用下，短時(shí)間內(nèi)即可在閥金屬表面原位形成厚度適中、附著力強(qiáng)且具有較高硬度的陶瓷氧化膜。該膜層既可以單獨(dú)使用來(lái)大幅提升基材的耐磨性，又能很好地兼容多種后處理方式，為后續(xù)涂層提供良好的承載能力，以適用于重載或高速等更苛刻的服役工況。因此，微弧氧化被認(rèn)為是提高鈦合金耐磨性的理想表面處理方法，也是近年來(lái)科研工作者們的研究熱點(diǎn)。

02 論文配圖

1 電解液的影響

電解液是微弧氧化技術(shù)中最核心的工藝參數(shù)，也是決定氧化膜性能的關(guān)鍵。

不同鋁酸鈉濃度下鈦合金微弧氧化膜的摩擦學(xué)性能

不同體系氧化液所制備微弧氧化膜截面形貌

2 電參數(shù)的影響

研究了恒流/恒壓模式兩種輸出模式、單相/雙相輸出模式、脈沖頻率、占空比對(duì)微弧氧化過(guò)程的影響。

3 復(fù)合微弧氧化處理

鈦基材硅/磷復(fù)合體系微弧氧化膜涂覆PTFE 前后摩擦試驗(yàn)結(jié)果

納米顆粒在電解液中呈負(fù)電的成膜機(jī)制示意圖

納米顆粒在電解液中呈正電的成膜機(jī)制示意圖

03 結(jié)論與展望

現(xiàn)階段，鈦合金在常見(jiàn)電解液體系中的成膜反應(yīng)以及各類電參數(shù)在其氧化過(guò)程中的影響機(jī)制已有較為成熟的認(rèn)識(shí)，可以從提高微弧氧化膜表層硬質(zhì)相比例以及降低粗糙度的角度來(lái)設(shè)計(jì)更合理的微弧氧化工藝。但傳統(tǒng)微弧氧化能夠提供的相組成種類較少，且膜層表面不可避免地存在微孔，因此耐磨性的提升有限。通過(guò)增加后處理工序與微弧氧化技術(shù)復(fù)合可以進(jìn)一步改善氧化膜的摩擦學(xué)性能，但生產(chǎn)成本增加。納米顆粒復(fù)合微弧氧化技術(shù)可以一步法實(shí)現(xiàn)氧化膜的制備，同時(shí)又能有選擇性地賦予其減摩、耐磨、潤(rùn)滑等性能，是未來(lái)微弧氧化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。但此項(xiàng)技術(shù)正式應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)前，仍有一些問(wèn)題亟待解決：首先，不溶性納米顆粒在電解液中的分散性差，應(yīng)加強(qiáng)納米顆粒分散穩(wěn)定性的相關(guān)研究，開(kāi)發(fā)相匹配的表面活性劑或優(yōu)化改性方式；其次，納米顆粒在微弧氧化過(guò)程中不斷消耗，復(fù)合氧化液的使用壽命及補(bǔ)加方法有待深入研究；再次，現(xiàn)階段關(guān)于納米顆粒復(fù)合微弧氧化的研究中，仍以摻雜一種納米顆粒為主，在電解液中添加多種納米顆粒，特別是不同功能類型的納米顆粒時(shí)，復(fù)合微弧氧化膜的摩擦學(xué)性能尚不明確；最后，電參數(shù)對(duì)不同種類納米顆粒摻雜機(jī)制的作用機(jī)理還有待澄清，例如負(fù)向電壓/電流的引入對(duì)帶電膠體在微弧氧化階段吸收和結(jié)合過(guò)程的影響等，此類問(wèn)題的闡述將對(duì)復(fù)合納米顆粒微弧氧化技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。綜合環(huán)保、經(jīng)濟(jì)成本等多方面因素考慮，微弧氧化仍是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)提高鈦合金耐磨性能的首選表面處理技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景。隨著人們對(duì)耐磨微弧氧化膜制備技術(shù)研究的進(jìn)一步深入，相關(guān)理論基礎(chǔ)的逐步完善，相信定能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出摩擦性能可控且綜合性能良好的微弧氧化涂層，從而拓寬鈦合金的使用范圍，并推進(jìn)其在更多領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

引文格式：

董凱輝, 宋影偉*, 韓恩厚. 鈦合金耐磨微弧氧化制備技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2021, 50(7): 57-65.

DONG Kai-hui, SONG Ying-wei*, HAN En-hou. Research progress on the preparation of wear-resistant micro-arc oxidation coatings on titanium alloys[J]. Surface technology, 2021, 50(7): 57-65.