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我所在钛合金微弧氧化技术及应用研究取得进展
发布人:王亚明  发布时间:2015-12-16   浏览次数:201


 轻金属及其复合材料(如Al、Mg、Ti、Zr合金及其复合材料)表面微弧氧化(microarc oxidation, MAO)陶瓷涂层制备技术,是将金属浸入碱性电解液中,通过施加高电压以导致金属表面发生击穿微放电现象,微放电火花产生的局部高温作用使基体金属发生氧化,在基体金属表面形成以基底元素氧化物为主、电解液所含元素参与掺杂改性的复杂氧化物陶瓷涂层。在国家级预研基金、配套项目与横向协作课题的资助下,我所王亚明教授课题组在钛合金表面微弧氧化涂层结构设计与调控、涂层形成过程机理与性能评价,工程应用方面展开了系统研究,取得了一些列创新性的研究成果。

 本课题组雷廷权院士瞄准航空航天用轻合金表面强化的需求,于2001年带领王亚明博士生建立了微弧氧化表面强化技术研究方向。应航空航天轻量化、高可靠与长寿命的使用要求,表面强化轻质合金(铝、镁及钛合金及其复合材料)替换钢质运动构件的应用越来越多。为提高轻合金表面抗磨减摩、抗腐蚀、隔防热与绝缘性能(单一性能或综合匹配性能),采用微弧氧化技术,通过专用电解液成分的设计与特殊的工艺条件在轻金属表面形成抗磨损、耐腐蚀涂层,及其各种功能化陶瓷涂层(如电绝缘、抗氧化、热控)等。微弧氧化涂层对于航空航天结构轻量化设计具有重要意义。

 我所研究人员首先利用微弧氧化电源双极或单极脉冲输出的特点,研究了单位脉冲输出能量-火花放电强度-涂层生长结构的关系(Materials Letters. 2004, 58(12-13):1907-1911),发现单脉冲放电能量决定涂层生长速率与组织结构的主要因素;进而提出分级式脉冲分配模式通过调控微弧氧化过程中能量的分配与有效利用,可提高微弧氧化涂层致密性(Materials Chemistry and Physics. 2005, 90:128-133)。我所研究人员还从材料学与化学角度出发,以钛合金微弧氧化为例,分析了微弧氧化涂层的组织结构与基底/涂层/电解液界面的化学反应,并提出击穿-通道-熔凝效应与涂层形成机制模型(王亚明博士学位论文)。

    图1 微弧氧化过程中放电现象与涂层结构变化示意图


应钛合金相对运动零部件对表面减摩耐磨的性能要求,我所研究人员从涂层的组织结构调控角度出发,开发了多种体系电解液,并对比研究了涂层的形成过程、涂层的结构特征与摩擦学特性(Applied Surface Science. 2009, 255: 6875-6880/Applied Surface Science. 2004, 233: 258-267 /Surface and Coatings Technology. 2006, 201 (1-2): 82-89/Materials Science and Technology. 2004, 20:1590-1594)。研究结果发现纳米TiO2晶粒镶嵌有非晶SiO2相复合涂层,显著提高钛合金耐磨性并降低摩擦系数至0.15~0.2;为进一步降低摩擦系数,将固体润滑剂石墨引入到微弧氧化表面的微孔孔隙中,在摩擦过程中,做为润滑剂存储器的微孔持续的将石墨供给到摩擦副表面,显著降低摩擦系数至0.1 (Applied Surface Science. 2005, 246(1-3): 214-22/ Applied Surface Science. 2006, 252 (8): 2989-2998)。研究人员还突破了大尺寸“暖瓶”状壳体复杂型腔内壁均匀涂层制备技术,通过减摩添加剂的改性,制备出高光滑减摩涂层,并成功应用于某系统的耐磨油/气密封工况。

   图2 纳米TiO2镶嵌非晶SiO2相涂层TEM结构                      3 摩擦系数随循环周次变化曲线


对航空航天钛合金紧固件/铆接件的微弧氧化表面强化的微动疲劳问题,研究人员揭示了在涂层干摩擦与油润滑条件下的微动摩擦学行为,证实微弧氧化涂层在干摩擦条件下可抑制微动裂纹的产生,在油润滑条件下可显著降低摩擦系数至0.1,显示出微弧氧化用于紧固件/铆接件强化的应用潜力。针对微弧氧化涂层应用于航空承载部件时,微弧氧化涂层对金属基体的疲劳寿命影响及机理尚不明确的关键问题,研究人员通过在钛合金与铝合金微弧氧化试件上的系统研究,发现涂层向局部基体过度生长区域引起的应力集中和基体近界面处的残余拉应力作用将导致疲劳寿命降低(Applied Surface Science. 2009, 255: 8616-8623)。微弧氧化过程中放电火花在局部基体处持续放电,该处基体过度氧化,形成深入基体的缺陷区,它是疲劳裂纹源萌生的主要区域。为改善微弧氧化后金属的疲劳性能,研究人员发明了一种提高轻合金微弧氧化涂层疲劳寿命的方法(ZL200710144831.6),即在微弧氧化前通过机械研磨纳米化、喷砂或喷丸等手段,在金属表面预先引入压应力,以缓解微弧氧化对膜基界面处金属基体产生的拉应力,通过在医用钛合金牙植入体表面实施表面喷丸预处理,已经证明该方法提高疲劳性能的可行性(Applied Surface Science. 2014, 299: 58-65)。

                     

此外,我所研究人员还针对特殊应用工况下,钛合金的高温电绝缘、高温抗氧化、高温辐射散热等方向展开探索研究,部分成果已经应用实际产品。共同研发的绿色环保节能型微弧氧化成套设备与工艺,可实现钛合金1~4平方米复杂曲面(或特定部位)涂层的制造要求。


                            王亚明教授(右一)向周玉院士(右二)汇报研究与工程应用进展情况


我所王亚明教授还应英国Birmingham大学邀请,参编英文著作一章,Chapter 5 “Plasma electrolytic oxidation of aluminium and titanium alloys”, in Surface Engineering of Light Alloys – Al, Mg Ti Alloys, Woodhead Publishing, Cambridge, UK (ISBN 1 84569 537 2, 2010, Page 110-154),将课题组主要研究成果写入论著中,同时也评述了钛及铝合金微弧氧化领域的国内外研究进展。该论著的发表标志着我所在微弧氧化技术方面的研究得到本领域国际学者的高度认可和关注。


  联系人:王亚明 wangyaming@hit.edu.cn