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钛合金耐磨微弧氧化制备技术先容

2022-02-11

钛合金具有质量轻、比强度高、耐蚀性好等优点, 在海洋船舶、深海潜艇、航空航天等科技核心领域发展潜力巨大。但钛合金自身硬度较低、摩擦因数高,有较高的粘着磨损、磨粒磨损和微动磨损倾向, 极大程度上限制了其作为摩擦部件的应用。为了改善钛合金的摩擦学性能,通常需要对其进行表面改性,常用的处理方法包括微弧氧化、激光熔覆、磁控溅射、溶胶凝胶、电镀等。其中,微弧氧化技术具有环保、高自动化程度等优点,在外加电源的作用下,短时间内即可在阀金属表面原位形成厚度适中、附着力强且具有较高硬度的陶瓷氧化膜。该膜层 既可以单独使用来大幅提升基材的耐磨性,又能很好地兼容多种后处理方式,为后续涂层提供良好的承载能力,以适用于重载或高速等更苛刻的服役工况。因此,微弧氧化被认为是提高钛合金耐磨性的理想表面处理方法,也是近年来科研工编辑们的研究热点。现阶段,针对钛合金微弧氧化膜减摩、耐磨性能的优化主要集中在以下几个方面简单先容:

1.电解液的影响

电解液是微弧氧化技术中Z核心的工艺参数,也是决定氧化膜性能的关键。不同电解液体系中,钛合金表面微弧氧化膜的成膜机制有所区别,所制备的微弧氧化膜在化学成分及自身结构上存在差异,进而也会影响其摩擦学性能。通常来讲,膜层的硬度与其摩擦学性能密切相关,高硬度的膜层往往具有更好的抗磨损性能。钛合金参与氧化成膜反应的主要成分为金红石型和锐钛矿型晶态 TiO2,两者硬度均小于 600HV,与钛合金自身硬度(400HV 左右)相比, 提升并不明显。因此,若想进一步改善膜层的耐磨性,需要电解液提供其他成膜组分。

2.电参数的影响

在电解液组分确定的情况下,氧化电源的参数设置将成为影响膜层性能的主要因素。微弧氧化通常使用直流脉冲电源,具体电参数包括恒流/恒压模式、 单相/双相模式、频率以及占空比等。各类参数决定了流经材料表面外加电流/电压的输出形 式,将对膜层生长速率以及成膜反应效果造成影响,并通过改变Z终膜层的组成和结构影响其摩擦学性能。

3.复合微弧氧化处理

微弧氧化处理后的钛合金,其摩擦学性能得到明显提升,但应对一些苛刻的服役工况时,仅通过调整溶液体系或电参数的方式可能无法满足要求,此时可以考虑增加复合处理工序。微弧氧化膜作为前置层,结合适当的后处理工艺,是进一步提升材料摩擦学性能的有效手段。常用的后处理工艺包括机械抛光、涂覆润滑或硬质膜层等。其中,机械抛光是实际生产中Z简单实用的一种方式。由于微弧氧化膜具有疏松多孔的外层结构,不但粗糙度较高,且硬度偏低,通过精加工去除 5~10 μm 厚的外表层,可以降低摩擦因数,同时裸露出的致密层结构又能提升表面硬度,显著降低材料的磨损率。微弧氧化后表面喷涂/浸涂石墨或聚四氟乙烯(PTFE) 润滑层,制备成本低,在中低载荷条件下也能起到不 错的减摩效果。具有层状结构的固体润滑层在与硬质材料对摩过程中被优先犁削成为磨屑,有效降低对摩副间的剪切应力与粘着应力。

现阶段,钛合金在常见电解液体系中的成膜反应以及各类电参数在其氧化过程中的影响机制已有较为成熟的认识,可以从提高微弧氧化膜表层硬质相比例以及降低粗糙度的角度来设计更合理的微弧氧化工艺。但传统微弧氧化能够提供的相组成种类较少, 且膜层表面不可避免地存在微孔,因此耐磨性的提升有限。通过增加后处理工序与微弧氧化技术复合可以进一步改善氧化膜的摩擦学性能,但生产成本增加。纳米颗粒复合微弧氧化技术可以一步法实现氧化膜的制备,同时又能有选择性地赋予其减摩、耐磨、润滑等性能,是未来微弧氧化技术的发展趋势。

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