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Ti6Al4V合金微弧氧化涂层的形成机制与摩擦学行为

王亚明  
【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2~5μm)。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。


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