钛合金表面微弧氧化/强化颗粒复合陶瓷膜生长机理研究

The high proportion of ZrO2 or Cr2O3 microparticles was introduced to micoarc oxidation coating on TC4 titanium alloy, which can reduce the friction coefficient of titanium alloy, increase its wear resistance, improve its corrosion resistance and the electrical insulation properties. The distribution and charged situation of second-phase particles in MAO electrolyte is to be studied by measuring Zeta potential. The infrared thermal imager and 3D video microscopy system are to be used to observe the size and distribution of molten cells on the film which forme in the MAO process and the micopoles which formed since the film is breakdown by discharge sparks. Accordingly, it is to establish the relationship between the distribution of discharge sparks on the surface of electrode and the distribution of molten cells and micropoles on the MAO coating. Besides, the effects of the size and content of microparticle in MAO electrolyte, oxidation current density (the ratio of anode and cathode), oxidation time and stirring intensity on the content of microparticles in the composite coating are to be researched. The project is going to study the interface role between second-phase particles in the electrolyte and MAO coating, analyze the aggregation process of ZrO2 or Cr2O3 particles on the surface of electrodes in quantitative and simulate the deposition kinetics process of composite particles. Accordingly, a growth model of MAO composite coating containing second-phase microparticles on titanium alloy is to be proposed. This project is helpful to reveal the essence and law of microarc oxidation in deeper level. Meanwhile, it can provide theoretical basis for the development of MAO composite deposition technique, and create a new method that produce composite film ceramic materials containing TiO2 and other second-phase micoparticles.

在TC4钛合金微弧氧化膜中引入高比例ZrO2 、Cr2O3第二相粒子，降低其摩擦系数以提高耐磨性能、改善其耐蚀性和电绝缘性能。采用Zeta电位仪研究微弧氧化电解液中微粒的分散及荷电状况；利用红外热成像和三维视频技术实时观察微弧氧化过程中膜层上形成的熔池以及被电火花击穿形成的孔洞的大小与分布，建立电极表面电火花分布与微弧氧化膜上熔池及孔洞的分布之间的关系；研究电解液中微粒的粒径及含量、电流密度（阳极 /阴极电流比）、时间、搅拌强度等因素对粒子复合量的影响；研究电解液中微粒与微弧氧化膜的界面作用，定量分析ZrO2、Cr2O3微粒在电极表面的富集过程，模拟复合粒子沉积的动力学过程，建立钛合金微弧氧化/第二相粒子复合膜的生长模型。项目的研究有助于更深层次地揭示微弧氧化的本质和规律，为发展钛合金微弧氧化复合沉积技术提供理论依据，开创一种制备TiO2＋第二相粒子的新型复合薄膜陶瓷材料的方法。

项目系统研究了钛合金微弧氧化/颗粒复合陶瓷膜的制备工艺，详细分析了复合膜微观结构、粒子复合量与膜层摩擦磨损行为的关系。同时，利用长距离显微镜、SEM、XRD等分析了微弧氧化过程中火花放电特征、熔池形成过程及分布状况、温度场分布；深刻阐述了复合沉积过程中第二相颗粒的传输、吸附、聚集情况及裹覆方式，建立了钛合金微弧氧化膜的生长模型。项目研究进一步深化了对微弧氧化本质和规律的认识，并实现了一种制备TiO2＋第二相粒子的新型复合陶瓷涂层的方法，实现了预期研究目标。主要研究结论如下：. 通过一步微弧氧化法可在TC4合金表面制备微弧氧化/Al2O3 (Cr2O3，h-BN)复合膜。微粒复合改变了微弧氧化膜的结构及组成。未添加微粒时，微弧氧化膜呈多孔结构，主要由金红石TiO2、锐钛矿TiO2及Al2TiO5相组成。加入第二相微粒后，复合膜表面微孔大幅减小，致密度提高，膜层中出现了α-Al2O3（或Cr2O3、h-BN）相。. 微粒复合大幅改善了微弧氧化膜的摩擦性能。常温下，微弧氧化膜的摩擦系数约为0.5~0.6，摩擦后表面出现明显的犁沟；300℃下，微弧氧化膜的摩擦系数升高，磨损加剧，磨损后表面呈现出明显的犁沟及轻微的黏着剥落。加入第二相粒子后，微弧氧化复合膜的摩擦系数及比磨损率均显著降低，磨损程度明显减轻。无论常温还是300℃，微弧氧化/h-BN复合膜的耐磨性均优于其它氧化膜层。. 钛合金微弧氧化过程中，熔池温度分布不均，膜层表面存在不同的温度场：最低温度小于1223℃，最高温度可达3410℃以上。此外，氧化过程中，火花和熔池是一一对应的关系；钛合金微弧氧化膜是通过熔池重组的方式不断生长的。. 微弧氧化过程中，第二相微粒主要通过三种方式实现微弧氧化-共生沉积，一是在流体运动、机械搅拌等作用下，第二相微粒直接吸附或镶嵌到熔融态的微弧氧化膜表面；二是通过机械啮合作用，第二相微粒被捕捉、锁定到微弧氧化膜的表面微孔中；三是在微弧放电通道内产生的熔融物遇冷凝固时，第二相微粒被包裹到微弧氧化膜中。