表面纳米化-微弧氧化复合改性钛合金的疲劳损伤机制及深海腐蚀行为研究

Titanium alloy, serving in field of high-tech marine equipment, suffered damages of wear, corrosion and impact due to its low hardness and poor wear resistance, when undertook circular or impacting load in highly corrosive environment for a long period of time. Therefore, the anti-corrosion and wear resistance of titanium alloy should be improved on the basis of high strength and toughness. Microarc oxidation (MAO) is a newly developed surface treatment technique, which allows in-situ growth of dense ceramic coatings with good properties of anti-corrosion and wear resistance on the surface of titanium alloy, depending on the match of electrolyte and electrical parameters. However, the adverse effects of MAO coatings on fatigue lifetime of the coated substrate alloy have limited its extensive applications. In our project, on the purpose of improving fatigue property by the design of microstructure, a surface nanocrystalline (SNC) layer was formed on the surface of titanium alloy, on which a ceramic outer layer grew by MAO process due to the reconstruction of nanocrystalline microstructure, finally the SNC-MAO duplex modified layer was fabricated. The research contents are as follows: fabrication and characterization of SNC-MAO duplex modified layer, influences of various microstructure surfaces (coarse grain, MAO coating, SNC layer and SNC-MAO duplex modified layer) on the fatigue property and failure mechanism of titanium alloy, influences of various microstructure surfaces on the deep-sea corrosion behavior and corrosion mechanism.

钛合金在高技术海洋装备领域服役过程中，长期处于强腐蚀环境，且承受交变或冲击载荷，钛合金硬度低和耐磨性差导致其易发生磨损、腐蚀、冲击破坏。因此在保证材料高强高韧的基础上，要求全面提升防腐蚀、耐磨损的关键服役性能。微弧氧化技术是依靠电解液和电参数的匹配调节，在钛合金表面原位生长出具有优良防腐耐磨性能的致密陶瓷涂层，但制约其应用的一个关键问题是微弧氧化处理导致基体材料的疲劳性能降低。本项目在钛合金表面制备表面纳米化过渡层，再采用微弧氧化技术对纳米晶过渡层进行微结构重构，设计制备出纳米化-微弧氧化复合改性层，通过基体与涂层的组织结构设计来提高微弧氧化后材料的疲劳寿命，主要研究内容如下：表面纳米化-微弧氧化复合改性层的制备及组织结构表征；不同微结构表面（原始粗晶、微弧氧化涂层、纳米晶层、纳米化-微弧氧化复合改性层）钛合金的疲劳性能及疲劳失效机制；不同微结构表面钛合金的深海腐蚀行为及腐蚀失效机制。

钛合金在高技术海洋装备领域服役过程中，长期处于强腐蚀环境，且承受交变或冲击载荷，钛合金硬度低和耐磨性差导致其易发生磨损、腐蚀、冲击破坏。因此在保证材料高强高韧的基础上，要求全面提升防腐蚀、耐磨损的关键服役性能。微弧氧化技术是依靠电解液和电参数的匹配调节，在钛合金表面原位生长出具有优良防腐耐磨性能的致密陶瓷涂层，但制约其应用的一个关键问题是微弧氧化处理导致基体材料的疲劳性能降低。本项目在钛合金表面制备表面纳米化过渡层，再采用微弧氧化技术对纳米晶过渡层进行微结构重构，设计制备出纳米化-微弧氧化复合改性层，通过基体与涂层的组织结构设计来提高微弧氧化后材料的疲劳寿命。本项目通过优化表面纳米化工艺参数及实验配置，在钛合金表面制备一定厚度的纳米晶层，对比研究了表面纳米化处理对钛合金电化学行为及表面钝化膜生长机制的影响规律。研究了微弧氧化涂层对钛合金腐蚀性能及疲劳寿命的影响规律。此外还开展了铝合金纳米晶-微弧氧化复合涂层的制备及性能表征、喷淋式微弧氧化工艺摸索等工作。研究结果表明，钢球表面纳米化处理会在钛合金表面引入含Fe污染层，不利于后续微弧氧化处理过程的放电行为；ZrO2陶瓷球表面机械研磨处理使铝合金表层晶粒尺寸细化至32.7nm，残留在样品表面的氧化锆微米颗粒对后续微弧放电行为没有影响。腐蚀电化学研究结果表明钛合金表面钝化膜形核机制为瞬时形核，表面纳米化可以有效提高钛合金材料的耐蚀性能。采用三种电解液体系(Al-P、Al-P-B和Al-P-Si)在TA15合金表面制备了微弧氧化陶瓷涂层，涂层结构取决于电解液组成，Al-P和Al-P-B涂层以Al2TiO5为主，Al-P-Si涂层以金红石型TiO2为主，还含有少量的非晶相。与TA15合金相比，微弧氧化处理钛合金材料的耐蚀性能提高，而合金表面涂层的生长则降低了基体的疲劳寿命。设计制作了可用于外场修复用的喷射式微弧氧化装置，探讨了喷射式微弧氧化和传统浸入式微弧氧化涂层在生长速度和表面形貌上的差别，在现场修复方面具有一定的工程意义。