TC4钛合金的微弧氧化及其复合涂层的摩擦磨损性能研究

摘要

钛及钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、生物兼容性好等诸多优点而广泛应用于航空航天、船舶、医疗等领域，但钛合金表面硬度低，耐磨性差严重限制了其进一步的应用。微弧氧化(Micro-arc oxidation，MAO)是利用高电压放电的方式在阀金属表面制备陶瓷氧化膜的技术，其膜层表面硬度高，且均匀多孔，是有效的钛合金表面处理技术之一。本文以TC4钛合金为基体材料，采用微弧氧化法在其表面形成多孔氧化膜，再与PTFE复合，利用氧化膜的载荷支撑和PTFE粒子润滑的协同作用，制备了具有自润滑功能的复合涂层，提高了钛合金表面的摩擦磨损性能。主要研究结果如下: (1)通过对不同电解液体系下TC4钛合金微弧氧化的研究，分析了电解液中各组分及其质量浓度对成膜的影响;采用SEM、EDS对膜层表面形貌及微观成分进行表征。结果表明:磷酸钠和六偏磷酸钠是成膜剂，是微弧氧化膜形成的必要成分，最低质量浓度为5g/L，当浓度增大时，膜层表面更加均匀多孔，但以10g/L为宜;硅酸钠能有效降低起弧电压，促进成膜效率，最低质量浓度为5g/L，添加后约在185V起弧，但浓度增大时，起弧电压不会继续明显下降;钼酸钠能增大电解液电导率，制备的氧化膜微孔数量更多，但质量浓度过高会造成电流过大而破坏膜层，且在膜层表面易产生起皮现象，以2g/L～4g/L为宜;氟化钠能明显改善膜层表面形貌，使其更加均匀多孔，最佳质量浓度为1g/L;氢氧化钾可以为电解液提供充足的OH-，促进成膜效率，增加膜层厚度，但质量浓度过高会造成严重的起皮现象以及疏松层的产生，以2g/L为宜。 (2)通过对几种电解液成分进行组合，配制了两种最佳电解液体系，电解液Ⅰ为磷酸钠-硅酸钠-钼酸钠-氟化钠，电解液Ⅱ为六偏磷酸钠-硅酸钠-钼酸钠-氢氧化钾，并探究两种电解液的电参数影响规律;采用SEM、EDS、金相显微镜对膜层表面形貌、微观成分和厚度进行分析。结果表明:在相同电参数条件下，电解液Ⅰ中制备的微弧氧化膜平均孔径以及表面孔隙率均高于电解液Ⅱ，但膜层硬度和厚度均低于后者;分析两种电解液下电参数的影响规律发现，电参数影响规律基本一致，电压升高，膜层孔径、厚度上升，孔隙率下降，当电压超过400V后，膜层容易破坏，频率降低，膜层厚度增大，占空比增大，膜层表面粗糙度明显变大，膜层厚度随时间呈对数型增长，超过30min后，膜层增厚速率明显降低。 (3)通过对TC4微弧氧化膜以及TC4 MAO-PTFE复合涂层的摩擦磨损性能测试发现，微弧氧化膜在销盘式试验条件下，耐磨性较差，电解液Ⅰ中制备的TC4微弧氧化膜在载荷为50N时便会发生磨损，电解液Ⅱ中制备的TC4微弧氧化膜则在载荷为60N发生破损，但相对基体，二者耐磨性均提高，摩擦系数降低，在0.2～0.4范围内波动;TC4 MAO-PTFE复合涂层均表现出良好的摩擦磨损性能，摩擦系数约为0.15，且波动很小;热处理对复合涂层耐磨性影响很大，在327℃下热处理3h，耐磨性明显提高。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2钛合金的分类及应用

1．2．1钛合金的性质及分类

1．2．2钛合金的应用

1．3钛合金表面改性技术

1．3．1电镀和化学镀

1．3．2辉光等离子渗镀

1．3．3阳极氧化法

1．4微弧氧化技术概况

1．4．1微弧氧化的基本过程

1．4．2微弧氧化电源的发展

1．4．3微弧氧化电解液体系的发展

1．5微弧氧化研究进展

1．5．1国内外研究现状

1．5．2微弧氧化技术目前仍存在的问题

1．6 PTFE复合涂层技术介绍

1．7本课题研究目的、内容及创新点

1．7．1课题研究目的

1．7．2课题研究内容

1．7．3课题创新点

第二章微弧氧化膜的制备及表征

2．1实验材料及检测方法

2．1．1主要实验材料

2．1．2实验设备

2．1．3实验药品

2．1．4实验工艺流程

2．2实验方法

2．2．1电解液体系设计

2．2．2电参数设计

2．2．3表征手段

2．3不同电解液体系下的微弧氧化结果分析

2．3．1磷酸钠电解液体系

2．3．2硅酸钠电解液体系

2．3．3 P-Si-Mo-F电解液体系

2．4不同电解液下微弧氧化膜截面分析

2．5 P-Si-Mo-F电解液的电参数影响规律

2．5．1电压对微弧氧化膜的影响规律

2．5．2频率对微弧氧化的影响规律

2．5．3占空比对微弧氧化膜的影响规律

2．5．4时间对微弧氧化膜的影响规律

2．6 MP-Si-Mo-K电解液体系下微弧氧化研究

2．6．2钼酸钠含量对MP-Si-Mo-K电解液的影响

2．6．3氢氧化钾含量对MP-Si-Mo-K电解液的影响

2．6．4 MP-Si-Mo-K电解液组分含量的确定

2．7MP-Si-Mo-K电解液下电参数对微弧氧化膜的影响规律

2．7．1电压对微弧氧化膜的影响

2．7．2频率对微弧氧化膜的影响

2．7．3占空比对微弧氧化膜的影响

2．7．4 时间对微弧氧化膜的影响

2．7．5负向电压对微弧氧化膜的影响

2．7．6 P-Si-Mo-F与MP-Si-Mo-K两种电解液微弧氧化对比分析

2．8本章小结

第三章TC4微弧氧化膜及其PTFE复合涂层的摩擦磨损性能测试

3．1实验部分

3．1．1实验材料

3．1．2实验设备

3．1．3实验工艺流程

3．1．4 TC4钛合金MAO-PTFE复合涂层的结果表征及性能测试方法

3．1．5实验方法

3．2．2 MAO-PTFE复合涂层摩擦磨损性能

3．3 MP-Si-Mo-K电解液下膜层的摩擦磨损性能

3．3．2 MAO-PTFE复合涂层膜层摩擦磨损性能

3．4两种电解液下膜层摩擦磨损性能对比

3．5本章小结

4．1结论

参考文献

致谢