Ti6Al4V合金微弧氧化涂层的形成机制与摩擦学行为

论文摘要

为了在Ti6Al4V合金表面获得良好的减摩涂层,本文进行了Si-P-（Al或Mo）、P-F-Al及Al-C三种电解液体系中的微弧氧化试验,并优选出最佳工艺参数。利用XRD、SEM、EPMA、XPS、TEM等手段对涂层的微观组织结构进行了分析,研究了涂层的形成机制,并测试了涂层在滑动与微动条件下的摩擦学性能。试验表明,涂层内层致密、外层疏松,表面多微孔（孔径25μm）。同一电解液中单脉冲的放电能量是决定涂层生长速率与组织结构的主要因素。恒流比恒压氧化时涂层生长速率高,但表面疏松。恒流+脉冲参数分级式调节使脉冲能量合理分配,能提高涂层生长速率及表面质量。涂层的组织结构主要取决于电解液体系。Si-P-（Al或Mo）涂层由纳米晶（<50nm）金红石和锐钛矿TiO2组成,并有少量SiO2和非晶化合物。P-F-Al涂层由纳米晶（<60nm）金红石TiO2及AlPO4相组成。Al-C涂层由板条形（宽100nm,长几百nm）Al2TiO5构成,内层有少量Al2O3及Ti2O相。P元素在邻近膜基界面的内层富集表明,微弧放电时形成贯穿涂层的放电通道,PO43-离子以放电通道“短路径”向膜基界面迁移,新涂层产物形成于膜基界面邻近区域。通道内熔融产物冷电解液及基底的瞬间冷却,凝固并沉积于通道内壁。冷却时产生的温度梯度,导致通道边缘形成柱状晶。与基底接壤的新生涂层为纳米晶（仅几nm）,反复放电使新生层向基底侧推移。放电在膜基界面或其邻近区域产生,但局部瞬间高温不改变基底的原始组织。在初始阶段涂层以向基底外侧生长为主,黄色火花出现后涂层以向内生长为主,向外生长的涂层厚度小于总厚度的30%。涂层致密层硬度高,疏松层硬度较低,但高于Ti6Al4V基底硬度。Si-P-Al、P-F-Al及Al-C涂层最高显微硬度分别为HV800、HV580和HV800。不同涂层硬度的差别主要取决于涂层相组成。Si-P-Al、P-F-Al及Al-C涂层的剪切膜基结合强度分别为70MPa、40MPa和110MPa。涂层破坏有两种方式:膜基界面处的脱层破坏及涂层内部的内聚破坏,内聚破坏越显著则结合强度越高。不同涂层经500oC温差50次热冲击后,涂层不剥落,表明涂层抗热震性良好。涂层自身物相结构与致密性决定抗腐蚀性依次为Al-C涂层>Si-P-Al涂层>P-F-Al涂层>Ti6Al4V基底。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 微弧氧化技术研究概况
• 1.2.1 微弧氧化工艺特点及应用
• 1.2.2 微弧氧化技术的研究现状
• 1.3 微弧氧化涂层制备工艺方法
• 1.3.1 酸性电解液氧化法
• 1.3.2 碱性电解液氧化法
• 1.3.3 直流氧化法
• 1.3.4 交流氧化法
• 1.3.5 直流脉冲氧化法
• 1.3.6 恒流或恒压氧化法
• 1.4 影响微弧氧化涂层质量的因素
• 1.4.1 电解液的影响
• 1.4.2 电参数的影响
• 1.4.3 合金材料及表面状态的影响
• 1.4.4 温度与氧化时间的影响
• 1.5 钛合金微弧氧化涂层的组织结构
• 1.6 钛合金微弧氧化涂层的性能
• 1.6.1 力学性能
• 1.6.2 摩擦学性能
• 1.6.3 抗腐蚀性能
• 1.7 微弧氧化复合涂层
• 1.8 钛合金微弧氧化技术存在的问题
• 1.9 本文目的及主要研究内容
• 1.9.1 本文研究目的
• 1.9.2 主要研究内容
• 第2章 试验材料及研究方法
• 2.1 试验用主要原材料
• 2.2 微弧氧化工艺参数与涂层成分设计
• 2.2.1 试验装置及涂层制备方法
• 2.2.2 微弧氧化电参数设计
• 2.2.3 涂层的成分设计
• 2.3 涂层组织结构及成分分析
• 2.3.1 涂层厚度测试
• 2.3.2 扫描电镜（SEM）观察
• 2.3.3 透射电镜（TEM）观察
• 2.3.4 XRD 分析
• 2.3.5 X-射线光电子能谱（XPS）分析
• 2.3.6 电子探针（EPMA）显微分析
• 2.4 涂层基本性能测试
• 2.4.1 显微硬度测试
• 2.4.2 膜基结合性能评定
• 2.5 涂层摩擦学性能测试
• 2.5.1 滑动摩擦测试方法
• 2.5.2 微动摩擦测试方法
• 2.6 涂层抗腐蚀性能测试
• 第3章 微弧氧化电参数的优化与控制
• 3.1 电参数对涂层生长与组织结构的影响
• 3.1.1 脉冲电压的影响
• 3.1.2 脉冲频率的影响
• 3.1.3 脉冲占空比的影响
• 3.1.4 电流密度的影响
• 3.1.5 讨论
• 3.2 恒流与恒压制度的比较研究
• 3.2.1 控制制度对涂层生长的影响
• 3.2.2 控制制度对涂层组织结构的影响
• 3.2.3 控制制度对涂层相组成的影响
• 3.2.4 讨论
• 3.3 电参数阶段式调节制度
• 3.4 本章小结
• 第4章 不同电解液中微弧氧化涂层的组织结构与形成机理
• 4.1 Si-P-Al 涂层的生长与组织结构
• 4.1.1 Si-P-Al 涂层的生长
• 4.1.2 Si-P-Al 涂层的组织结构
• 4.2 P-F-Al 涂层的生长与组织结构
• 4.2.1 P-F-Al 涂层的生长
• 4.2.2 P-F-Al 涂层的组织结构
• 4.3 Al-C 涂层的生长与组织结构
• 4.3.1 Al-C 涂层的生长
• 4.3.2 Al-C 涂层的组织结构
• 4.4 微弧氧化涂层形成机理探讨
• 4.4.1 微弧氧化涂层生长现象与规律
• 4.4.2 微弧氧化涂层组织结构形成机制
• 4.4.3 微弧氧化过程中的化学反应
• 4.4.4 击穿-反应-熔凝效应与涂层形成机制模型
• 4.5 本章小结
• 第5章 微弧氧化涂层的力学与抗腐蚀性能
• 5.1 微弧氧化涂层的显微硬度
• 5.2 微弧氧化涂层膜基结合强度评定
• 5.2.1 划痕法
• 5.2.2 压痕法
• 5.2.3 拉伸破坏法
• 5.2.4 热震抗剥落法
• 5.2.5 剪切法
• 5.2.6 膜基结合强度讨论
• 5.3 微弧氧化涂层抗腐蚀性能
• 5.4 本章小结
• 第6章 微弧氧化涂层的滑动摩擦行为
• 6.1 Ti6Al4V 的滑动摩擦特性
• 6.2 不同结构微弧氧化涂层的滑动摩擦特性
• 6.2.1 不同微弧氧化涂层的结构
• 6.2.2 Si-P-Al 涂层的滑动摩擦行为
• 6.2.3 P-F-Al 涂层的滑动摩擦行为
• 6.2.4 Al-C 涂层的滑动摩擦行为
• 6.2.5 滑动摩擦下涂层的磨损机制
• 6.3 Si-P-Mo 涂层的滑动摩擦行为
• 6.3.1 Si-P-Mo 涂层的结构
• 6.3.2 Si-P-Mo 涂层的摩擦学性能
• 6.4 本章小结
• 第7章 微弧氧化涂层的微动摩擦行为
• 7.1 Ti6Al4V 的微动摩擦行为
• 7.1.1 Ti6Al4V 的微动摩擦过程
• 7.1.2 Ti6Al4V 的微动磨损机制
• 7.2 Ti6Al4V 微弧氧化涂层的微动摩擦行为
• 7.2.1 不同载荷下的微动摩擦行为
• 7.2.2 不同润滑条件下的微动摩擦行为
• 7.2.3 不同微动条件下的磨损机制
• 7.3 Ti6Al4V 与其微弧氧化涂层的微动摩擦学性能比较
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附录
• 原创性声明及使用授权书
• 致谢
• 个人简历