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TC17钛合金表面高耐磨涂层腐蚀磨损机理研究

张玉林  
【摘要】:钛合金普遍存在表面硬度低、导热性差、摩擦系数高以及易发生粘着磨损等缺点,严重阻碍了其在工业中的应用。因此,利用表面工程技术来提高钛合金表面硬度、抗磨损和耐磨蚀性能已成为目前研究的热点之一。本文首先利用微弧氧化(MAO)技术在TC17钛合金表面原位生长一层与基体呈冶金结合的MAO涂层。随后再利用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术在MAO涂层表面分别沉积单层TiN膜层和多层TiN/Ti软硬交替膜层,进而制备出高耐磨的TiN-MAO复合涂层和TiN/Ti-MAO软硬交替涂层,进一步提高TC17钛合金表面MAO涂层的硬度和致密度,以及在苛刻环境下的抗磨损和耐腐蚀性能。通过分析TC17钛合金基体及其表面涂层的微观组织结构,成分组成以及在酸性溶液中腐蚀磨损行为,对其发生“腐蚀-磨损”交互作用的机理进行研究。所取得的主要结果如下:TC17钛合金基体表面因发生腐蚀而显著提高其摩擦系数和磨损率。TC17钛合金基体在酸性溶液中因受到H+和Cl-等侵蚀性离子的腐蚀作用,导致基体中富含Al元素的α相逐渐发生腐蚀溶解,一方面提高了基体表面粗糙度,促使摩擦系数升高;另一方面降低了基体表面材料的抗剪切强度,使得磨痕表面发生严重的粘着磨损而导致磨损率逐渐升高。然而,随着溶液浓度的升高,大量离子吸附在磨痕表面起到良好的润滑效果,进而有效缓解了基体的磨损进程。TC17钛合金表面MAO涂层能够有效降低基体的摩擦系数和磨损率,但随着溶液pH值的降低,磨损率呈现出逐渐升高的趋势。在腐蚀磨损过程中,MAO涂层表面微孔能够有效存储摩擦副对磨过程中产生的硬质磨屑,进而提高MAO涂层磨痕表面的致密度和强度,减缓MAO涂层的磨损进程。然而,由于溶液中H+和Cl-等侵蚀性离子能够通过MAO涂层内部微孔、微裂纹等结构缺陷快速渗透至“MAO涂层-基体”界面处并引发腐蚀,导致结合强度降低,进而促使MAO涂层过早的发生腐蚀开裂和磨损脱落现象。基于MAO涂层表面多孔的微纳结构,在其表面沉积硬质TiN膜层,进一步提高表面硬度和致密度,并有效抑制MAO涂层发生脆性崩裂和磨损剥落。TiN膜层完整地覆盖在MAO涂层表面,并与之呈“啮合”结构,不但有效阻碍了溶液中H+和Cl-等离子对复合涂层的渗透,从而明显提高了涂层间的结合强度。在腐蚀磨损过程中,外层TiN膜层局部发生脆性崩裂,硬质磨屑嵌入MAO涂层之中,显著提高了磨痕表面致密度和强度,并通过磨痕表面硬质颗粒的滚动效应,起到优异的耐磨、减摩效果。然而,TiN-MAO复合涂层的磨损率随着溶液pH值的降低,而逐渐升高,其磨痕局部也发生明显的磨损剥落现象。这一方面是由于单层TiN膜层脆性较高,韧性较差;另一方面则是由于侵蚀性离子渗透TiN膜层,导致“TiN-MAO”涂层界面处发生腐蚀,进而使得涂层间结合强度降低。利用HiPIMS技术在MAO涂层表面交替沉积硬质TiN层和纯Ti层,其不但具有较高的耐磨性能,而且能够有效抑制膜层内部微裂纹的萌生和扩展,进而明显提高MAO涂层抗磨蚀性能。TiN/Ti-MAO软硬交替涂层中的纯Ti层一方面能与少量渗透TiN层的溶液发生反应形成致密的氧化膜,进一步阻碍侵蚀性离子对MAO涂层的渗透;另一方面纯Ti层具有良好的韧性,可有效缓解对磨球对涂层的冲击作用,减少TiN膜层局部脆性崩裂和磨损剥落现象的发生。


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