钛合金紧固件表面Al2O3/TiO2复合陶瓷耐磨涂层研究

In order to improve wear resistance of titanium alloy fastener, Al2O3/TiO2 composite coating will be fabricated on titanium alloy by duplex treatment of deposition of Al coating by arc ion plating and then treated with micro-arc oxidation (MAO) (i.e. Plasma Electrolytic Oxidation PEO) method. The composition and microstructure of the MAO coating will be investigated and the interfacial microstructure and reaction of the Al2O3 top layer and the TiO2 inner layer will be studied, to clarify the growth mechanism of the ceramic composite coating. The adhesive strength, hardness, friction and wear performance of the composite ceramic coating will be studied. The intrinsic relationships between the friction and wear performance and the composition and microstructure of the composite ceramic coating will be clarified. The results will provide scientific evidence for the application of Al2O3/TiO2 composite coatings on titanium alloy fasteners to improve their wear resistance, which will be fabricated by the duplex treatment method of deposition of Al coating by arc ion plating and then treated with MAO.

为提高钛合金紧固件的抗磨损性能，拟在其表面离子镀铝，然后微弧氧化，制备Al2O3/TiO2 复合陶瓷涂层。研究复合涂层组成和显微结构等，弄清Al2O3/TiO2 界面结构、界面反应，澄清复合陶瓷涂层的形成机理。研究复合涂层的结合强度、硬度、摩擦磨损性能等，揭示涂层的组成和结构等与其耐磨损性能的内在联系。为表面离子镀铝+微弧氧化制备Al2O3/TiO2 复合陶瓷抗磨涂层的新技术在钛合金紧固件上的应用提供依据。

为提高钛合金紧固件的抗磨损性能，采用离子镀铝然后微弧氧化的方法在钛合金表面制备了氧化铝陶瓷复合耐磨涂层，研究了涂层的显微结构、硬度、结合强度、耐磨性能等，并初步研究了镀铝层中添加Si对微弧氧化陶瓷复合涂层结构和性能的影响。钛合金离子镀铝并微弧氧化处理得到的氧化铝陶瓷复合耐磨涂层主要由α-Al2O3和γ-Al2O3组成。随着微弧氧化时间的增长，氧化铝陶瓷膜的厚度增加，其致密层和硬度亦增加，硬度最高可达1260Hv。但是，当微弧氧化时间增长到局部钛合金基材发生氧化时，钛的氧化物进入到氧化膜中，膜内裂纹缺陷增多，硬度下降，膜与钛合金基材结合强度也降低了。拉伸实验结果表明微弧氧化铝膜/镀铝层/钛合金体系结合强度大于40MPa，最高可达68MPa；镀铝层/钛合金基体界面结合非常好，结合强度大于68MPa；当氧化进行到铝镀层/钛合金界面时，微弧氧化陶瓷膜/钛合金基材界面结合变差，强度降低到约34MPa。氧化铝陶瓷膜的硬度明显高于钛合金，显著提高了钛合金的耐磨性，耐磨性最好的3h微弧氧化陶瓷膜磨损率比基材Ti6Al4V合金降低了两个数量级以上。在微弧氧化初期，AlSi镀层表面微弧氧化膜的生长速率较纯Al镀层显著降低，Si含量越高，膜生长速率下降越明显；随着氧化时间的增加，Si对微弧氧化膜生长速率的影响变小。随着AlSi镀层Si含量的增加，其表面形成的微弧氧化陶瓷膜中莫来石相的含量增加，硬度和耐磨性较纯Al镀层的微化氧化膜降低。提出了当氧化进行到铝镀层/钛合金界面，微弧氧化陶瓷层中裂纹缺陷增多的可能机制：局部钛基材的氧化导致Ti的氧化物进入微弧氧化陶瓷层中，由于Ti氧化物的电导率要比氧化铝大得多，造成微弧氧化膜放电阻抗分布的不均匀，而且此种情况会不断恶化，破坏了氧化膜的均匀和致密性，并导致贯穿性放电通道或裂纹的形成。本项目的研究结果为表面离子镀铝+微弧氧化法制备氧化铝陶瓷复合耐磨涂层新技术在钛合金紧固件上的应用提供了依据,该涂层技术亦可用于提高各工业领域钛合金部件的抗磨性能。