船用钛表面梯度涂层的形成机理、界面结构及性能研究

Ocean is increasingly becoming an important space for human’s sustainable development. Titanium (Ti) materials, with its excellent performance, has been widely used in navigation, and becoming one of the preferred materials for shipbuilding. Meanwhile, the poor tribological properties limit the further popularization and application of Ti materials. Surface modification can effectively improve the wear resistance of Ti materials. We proposed to synthesis precious metal nanostructured particles (Au or Ag)/titanium oxide gradient coatings by surface mechanical attrition treatment, magnetron co-sputtering and thermal oxidation. We will investigate the structure evolution of coating surface and interface, the diffusion and transportation of precious metal nanostructured particles, wear resistance of the Ti materials. And then we hope to find the formation mechanism of oxide and the diffusion mechanism of oxygen in gradient Ti, the formation and evolution of gradient coatings during the interaction of precious metal nanostructured particles and metal oxide. It will be of important theoretical significance if we can realize the size and morphology control of individual component, construct and complete the characterization and research methods of the present new-type gradient coatings. Meanwhile, it will be a significant practical value if we can realize the stabilization of optimum comprehensive properties using the structure control of the gradient coatings. We hope we can get some breakthrough in the surface modification of Ti alloys which used in vessels, and obtain novel surface structure and properties. We also hope to provide some novel orientations for the development of surface modification of metals.

海洋日益成为人类可持续发展的重要空间。Ti材料以其优异的性能被广泛应用于航海领域，成为首选的船舰材料之一。但是Ti材料耐磨性较差，限制了其进一步推广应用，表面改性可有效提高Ti材料的耐磨性。本项目拟通过表面机械研磨处理、磁控共溅射及热氧化相结合在Ti表面构筑贵金属纳米粒子（Au或Ag）/氧化钛梯度涂层。通过制备过程中涂层表面及界面结构演变、贵金属纳米粒子扩散迁移、腐蚀、耐磨性等内容的研究，探明氧化钛的形成及氧扩散机理、贵金属纳米粒子与金属氧化物相互作用下诱导梯度涂层的形成与演化，实现对涂层各组元尺寸和形态的调控，建立并完善新型梯度涂层的表征与研究方法，具有重要的科学意义。同时，通过对贵金属纳米粒子/氧化钛梯度涂层的结构调控，实现其最佳综合性能的稳定化，具有显著的应用价值。本课题研究力求在探索Ti表面改性新方法、获得表面新结构和新性质等方面有所突破，为金属表面改性技术的发展提供新思路。

Ti材料因其低密度、高比强度、优异的抗腐蚀性，无磁性、加工性好等特点，成为首选的舰船结构材料之一，为开发海洋资源和保障国家安全提供了重要支撑 。船用Ti构件与海水以及海水中的泥沙接触，必然存在磨损及腐蚀问题。Ti材料耐磨性较差、易擦伤及粘附限制了其推广应用，通过提高材料表面性能从而提高材料整体性能成为关键。对船用Ti材料进行表面改性以增强其耐磨性、同时保持良好的耐腐蚀性成为该领域一个研究热点。.本项目从国家海洋技术发展的战略需求出发，针对船用Ti构件亟需解决的关键科学问题，开展了贵金属纳米粒子（Au或Ag）/氧化钛梯度涂层的制备科学、微观结构及演变规律、涂层的摩擦摩擦行为及在海水作用下的腐蚀机制的研究，为海洋用Ti构件表面涂层需求奠定研究基础。按照项目计划要求，开展了三方面的研究工作：1、贵金属纳米粒子（Au或Ag）/氧化钛梯度涂层制备、2、贵金属纳米粒子（Au或Ag）/氧化钛梯度涂层界面研究、3、耐磨性与耐腐蚀性研究，比较全面地完成了全部的预定工作计划。.基于以上内容，得到如下结论：.(1)经过表面机械研磨处理工业纯钛得到梯度纳米结构Ti。为研究纳米结构Ti的稳定性并确定后续的热氧化条件，在350℃~550℃对梯度纳米结构Ti退火，结果表明450℃退火，梯度结构Ti仍有良好的稳定性。.(2)采用磁控溅射在SMAT Ti基体上制备Ti/（Au或者Ag）复合涂层，随后在450℃下对(Au或Ag)/Ti复合涂层进行了氧化处理，得到了梯度涂层。.(3) (Au或Ag)/TiO2梯度复合涂层，由表面至芯部依次形成了金红石TiO2层、渗氧层、扩散界面层和梯度纳米结构Ti，涂层与基体结合良好，无明显开裂。Au或Ag)粒子在梯度涂层中的分布均匀。.(4) (Au或Ag)/TiO2梯度复合涂层的耐磨性明显提高，同时具有良好的抗腐蚀性，研究结果对海洋用耐腐蚀及耐磨涂层的发展具有一定的理论指导和应用价值。