钛合金微弧氧化/有机硅转化复合涂层的制备与高温性能

为提高钛合金的高温抗氧化性能,采用微弧氧化法和有机硅转化法在TA15合金表面制备出微弧氧化/有机硅转化复合涂层。采用XRD、SEM、EDS等方法分析涂层的组织结构,并评价涂层在700℃时的高温氧化行为。结果表明:微弧氧化涂层主要由锐钛矿相和金红石相Ti O2组成,涂层表面存在直径约5μm的微孔,但涂层内层致密。微弧氧化涂层表面的有机硅转化层主要由Ce O2、Si C、Al和Al_2O_3相组成,厚度约为20μm;微弧氧化涂层与有机硅转化涂层之间无明显界线,界面结合良好。在700℃长时间高温氧化20 h后,TA15合金的氧化增重为0.5875 mg/cm2,微弧氧化涂层的增重为0.2513 mg/cm2,而复合涂层显著改善抗氧化性能,增重仅为0.0506 mg/cm2。700℃至室温热冲击50循环后,复合涂层没有发现剥落,显示出良好的抗热震性能。     

钛合金表面微弧氧化膜及抗氧化性能的研究

利用微弧氧化技术，通过增加涂层致密性的方法及选择合适的放电电压，在钛合金表面制备出致密的、与基体结合优良的微弧氧化膜。微弧氧化膜分为3层：过渡层、致密层和疏松层。XRD分析表明，微弧氧化膜主要由Al2TiO5和Al2SiO5组成。在700℃循环氧化100h后，经微弧氧化处理的钛合金的氧化增重量为2．08mg／cm^2，低于未经微弧氧化处理的钛合金的增重量（20mg／cm^2），因而微弧氧化能有效地提高钛合金的抗高温氧化性能。     

TC4钛合金微弧氧化膜层高温氧化性能研究

利用微弧氧化(MAO)技术在TC4钛合金表面原位制备陶瓷膜层,并通过硅酸钠水溶液对膜层进行了封孔处理。采用X射线衍射仪(XRD)分析了膜层相组成,通过扫描电子显微镜(SEM)观察了膜层表面形貌。通过粘结拉伸测试,比较了膜层在封孔前后与基体的结合强度。利用高温氧化实验,考察了TC4基体及膜层试样封孔前后的抗高温氧化性能。结果表明:微弧氧化膜层与基体间的结合强度较高,经封孔处理及高温氧化100 h后,膜基结合强度降低至4.29 MPa。与TC4基体相比,微弧氧化膜层的高温氧化增重量小,抗高温氧化性能得到了显著的提高。封孔处理提高了微弧氧化膜层的致密性,使其能更好地阻止氧透过膜层向基体内侵入,进一步提高了膜层的抗高温氧化性能。     

TC4钛合金表面Cr2AlC涂层的制备及高温氧化行为

目的为提高钛合金在高温条件下的服役性能,探索Cr_2AlC MAX相涂层对TC4钛合金高温氧化行为的影响。方法采用低温反应直流磁控溅射技术再经后续退火处理的方法,在TC4钛合金基体表面制备高纯度的Cr_2AlC MAX相涂层。利用X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜和能谱仪,分析了Cr_2AlC涂层试样和TC4钛合金经750℃静态空气恒温氧化前后的相结构、组织形貌和组分,并采用分析天平测定了TC4钛合金和Cr_2AlC涂层试样在750℃静态空气中氧化后的氧化动力学曲线。结果经750℃空气中氧化10 h后,TC4钛合金表面形成厚度达13μm的疏松团絮状TiO_2和Al_2O_3混合物氧化膜。而Cr_2AlC涂层表面能够形成以α-(Al,Cr)2O3为主的致密氧化膜,可有效阻止氧元素向内扩散。Cr_2AlC涂层试样在750℃空气中氧化90 h后的氧化增重仅为无涂层TC4钛合金在750℃空气中氧化10 h后的6.6%。结论 Cr_2AlC涂层具有优异的抗高温氧化性能,能够明显提高TC4钛合金的使用温度,使其氧化增重速率大幅降低。     

TC4 合金表面微弧氧化制备抗高温氧化涂层

目的寻求最佳的微弧氧化工艺参数,提高钛合金的高温抗氧化性能。方法进行3因素3水平正交试验(3因素包括电压、氧化反应时间和电解液浓度),通过XRD和SEM表征微弧氧化涂层的物相和显微结构,采用650℃×100 h循环氧化试验评价涂层的抗高温氧化性能,最终利用极差分析法分析各因素对涂层试样氧化增重的影响主次,并得到最优参数组合。利用回归分析建立氧化增重与试验各参数之间的数学模型,并分析模型的显著性。结果不同工艺参数下制得的微弧氧化涂层表面形貌特征不同,涂层物相以金红石相和锐钛矿相二氧化钛为主。3个因素对涂层抗高温氧化性的影响由大到小依次为:电压时间电解液浓度。建立的氧化增重W与各参数(电压V、反应时间t、电解液浓度E)间的二次函数方程模型为:W=0.008 39(V-396.6)+0.1698t-64.5E-0.000 108(V-396.6)2-0.0044t2+700E2+0.0017。结论最佳参数组合为:电压480 V,时间25 min,电解液浓度0.04 mol/L。通过回归分析得到的氧化增重与各参数间的数学模型显著。     

Ni-P-ZrO2化学复合镀层对TC4钛合金抗氧化性能和阻燃性能的影响

在TC4钛合金微弧氧化膜表面制备Ni-P-ZrO2化学复合镀层,研究其在600和700℃空气中的抗高温氧化性能,利用脉冲激光烧蚀处理研究其阻燃性能。结果表明,Ni-P-ZrO2化学复合镀层在600和700℃空气中的氧化动力学曲线呈抛物线形状,氧化膜薄且致密,主要以NiO为主,镀层中非晶的NiP相转变成晶态的Ni2P相,具有良好的抗氧化性能。激光烧蚀处理时,Ni-P-ZrO2镀层烧蚀体积、面积分别是TC4烧蚀的1/3和1/2。镀层激光烧蚀处理后,在烧蚀孔洞内部出现柱状晶粒,ZrO2粒子在镀层表面发生团聚,Ni-P-ZrO2化学复合镀层能有效地提高钛合金的阻燃性能。     

氮气气氛下激光表面铝合金化对TC4抗高温氧化性能的影响

为提高钛合金TC4的室温力学性能和抗高温氧化性能,采用激光表面合金化技术在钛合金TC4表面进行铝合金化,氮气作为保护气体,并对合金化层的组织结构、硬度、摩擦磨损性能及抗高温氧化性能进行分析测试。结果表明,在钛合金TC4成功制备出由弥散分布的氮化物作为增强相的富铝合金化层,合金化层厚度约为1 mm,并与基体呈良好的冶金结合。室温下测得的合金化层的平均硬度约为740 HV,平均摩擦系数为0.28,而基体的硬度约为410 HV,平均摩擦系数为0.8。静态空气中800℃保温1000 h的氧化结果表明,合金化层的氧化产物主要为Al_2O_3和TiO_2以及少量的Al_3Ti_5O_2的混合氧化物,单位面积增重5.16×10~(-3)mg/mm~2,而基体氧化产物主要为TiO_2,单位面积增重为1.821×10~(-1)mg/mm~2。氮化物作为弥散增强相的富铝合金化试样的室温力学性能和抗高温氧化性能显著提高。     

钽表面微弧氧化陶瓷层的抗氧化性能

通过微弧氧化技术在钽金属表面制备陶瓷层,并采用SEM观察了陶瓷层的表面形貌,采用增重法对陶瓷层的抗氧化性能进行研究,探讨了放电电压、放电频率、氧化时间对陶瓷层抗氧化性能的影响。结果表明,对钽金属表面进行微弧氧化处理,可以显著提高钽金属的高温抗氧化性能,对高温抗氧化性影响最大的两个原因是微弧氧化陶瓷层中铝元素的含量和致密性。在电压400V、1 000Hz、20min时陶瓷层的高温抗氧化性最好。     

SiC纳米颗粒对TA2微弧氧化涂层组织结构及耐蚀性能的影响机制

为提高钛及钛合金防腐蚀、耐磨损等关键服役性能,本研究在TA2钛合金表面制备微弧氧化陶瓷涂层,研究纳米SiC颗粒的添加对微弧氧化涂层组织结构及耐蚀性能的影响机制.结果表明,基础电解液中SiC的加入能够大幅度提高TA2微弧氧化涂层的厚度,且随着电压的升高,涂层的厚度和表面粗糙度也随之增大,涂层表面的微孔尺寸随着电压的升高而逐渐增大,SiC的加入能够有效地抑制微弧氧化涂层表面裂纹的产生;微弧氧化涂层的物相主要有高温稳定相金红石及锐钛矿,还含有少量的SiC及SiO2;微弧氧化涂层增加TA2的开路电位及自腐蚀电位,随着处理电压的增加开路电位随着升高;SiC的加入降低了涂层的阳极电流密度,显著提高了微弧氧化涂层得耐蚀性能。     

植酸修饰改性对TC4钛合金微弧氧化膜层性能的影响

通过向电解液中添加有机酸植酸,提升了TC4钛合金微弧氧化涂层的耐腐蚀性能和热稳定性。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪和热冲击实验等技术手段,分析了植酸对涂层形成、形貌和性能的影响。结果显示,植酸的添加使放电微孔更加细小,提高了涂层的形成效率并优化了相结构。通过动电位极化测试,发现添加植酸显著提高了微弧氧化涂层的耐腐蚀性能。将电解液中的植酸浓度调整为12 mL/L（最佳植酸浓度）后,腐蚀电流密度由8.406×10^-5 A·cm^-2降低至2.580×10^-6 A·cm^-2。循环高温氧化试验结果表明,TC4钛合金的耐热冲击性能和高温抗氧化性能得到了改善。     

TC4钛合金微弧氧化电解液研究

利用微弧氧化技术可在钛合金表面制备出具有高硬度、耐磨和耐腐蚀等优异性能的氧化物涂层。影响钛合金微弧氧化过程和氧化层结构及性能的因素有很多,其中电解液的组成属于关键因素之一。目前,适用于TC4钛合金的电解液主要为碱性溶液,如硅酸钠溶液体系、偏铝酸钠溶液体系、磷酸钠溶液体系及其混合溶液体系。     

发动机排气门新型抗高温氧化涂层研究

目的提高排气门材料21-4N合金的抗高温氧化腐蚀性能和抗开裂剥落性能,提高排气门的服役性能,延长使用寿命。方法利用两步循环喷雾热解技术在21-4N合金表面制备(Al_2O_3-Y_2O_3)/YSZ层状陶瓷复合涂层,通过扫描电镜和能谱对涂层形貌和成分进行分析,通过循环氧化腐蚀实验评价涂层的抗高温氧化腐蚀性能和抗开裂剥落性能,通过划痕测试来评价涂层的结合强度。结果该层状复合涂层厚度均一、结构致密清晰,在900℃高温循环氧化100 h的实验中,该涂层样品的质量增加量和剥落量分别为0.3025和0.06 mg/cm~2,远低于无涂层21-4N合金的质量增加量和剥落量,具有优异的耐高温氧化腐蚀性能。该复合涂层的膜基结合力达到40 N,远高于21-4N合金表面氧化膜的结合力,能够满足排气门实际应用工况要求。结论采用两步循环喷雾热解技术在21-4N合金表面制备的(Al_2O_3-Y_2O_3)/YSZ层状复合涂层,能够有效提高排气门材料的抗高温氧化腐蚀性能,并具有优异的结合力。     

2A12铝合金微弧氧化膜的高温氧化性能

对2A12铝合金表面的微弧氧化膜进行了高温氧化实验研究。结果表明：微弧氧化膜层的高温抗氧化性能随着温度的升高而降低,但氧化指数均在2以上,说明微弧氧化膜层对于2A12铝合金起到了保护作用,有效地阻止了高温氧化时的氧扩散。微弧氧化膜层抗空冷热震性能要优于抗水冷热震性能,在60次热震循环后,水冷热震的合金边角处出现膜层脱落现象,而空冷热震的合金只在表面出现裂纹,没有膜层脱落现象出现。微弧氧化膜热震失效主要由膜层与基体热膨胀系数不同、膜层与H₂O、氧气反应分别生成氢氧化物与氧化物所导致;膜层内部的CeO₂起到减小孔径的作用,在热震反应初期能够有效地降低热震对膜层的影响,但随着循环次数增多,生成碱式碳酸盐和氢氧化物,导致微弧氧化膜失效。     

TC4 合金微弧氧化层的耐磨性和耐蚀性

目的对比不同电解液体系中制备的陶瓷膜层的耐磨损和耐腐蚀性能,判断实验条件下陶瓷膜性能最优的电解液体系。方法在相同的电参数工艺下,分别在Na Al O2,(Na PO3)6和Na2Si O3电解液体系中对TC4合金进行微弧氧化处理,处理时间为15 min。分析陶瓷层的表面形貌、成分和相结构。进行干摩擦条件下的摩擦磨损实验,对比TC4合金及三种陶瓷膜的耐磨性。通过测试极化曲线,对比TC4合金及三种陶瓷膜的耐蚀性。结果在Na Al O2,(Na PO3)6,Na2Si O3电解液体系中获得的陶瓷层表面呈现出多孔和局部凸起的相似表面特征,但相组成存在差异,主要相分别为Al2Ti O5,Al PO4和Ti O2。摩擦磨损实验表明,在10 N载荷下,以Si3N4陶瓷球作为摩擦配副,陶瓷层的磨损失重相对基材均显著减小,其中(Na PO3)6-陶瓷层失重约为基材的1/22。极化曲线分析表明,在模拟油田采出液作为腐蚀液的条件下,与TC4合金相比,陶瓷层的Ecorr显著正移,Jcorr明显减小,其中(Na PO3)6-陶瓷层的Ecorr从-0.311 V正移至0.777 V,Jcorr从9.634×10-7A/cm2减小到2.595×10-8A/cm2。结论微弧氧化处理能够显著改善TC4合金的耐磨性和耐蚀性,其中(Na PO3)6-陶瓷层的综合性能较好,有望满足TC4合金服役于油田环境时的要求。     

Ti2AlNb合金微弧氧化电解液优化及耐磨性研究

目的优化Ti_2AlNb合金微弧氧化的电解液配方,提高Ti_2AlNb合金微弧氧化膜的耐磨性。方法借助SEM、EDS、XRD研究硅酸盐-磷酸盐电解液体系中Na_2MoO_4浓度对Ti_2AlNb合金微弧氧化膜形貌、成分及相结构的影响。利用CFT-I型磨损试验机测试不同微弧氧化膜的摩擦磨损性能。结果电解液中添加Na_2MoO_4后,微弧氧化膜的生长速率增加,膜层中出现了Mo元素且含量也逐渐增加。Na_2MoO_4的加入降低了Ti_2AlNb合金微弧氧化膜的摩擦系数及比磨损率,但微弧氧化膜的耐磨性并非随Na_2MoO_4含量线性提高。含6 g/L Na_2MoO_4的体系中,微弧氧化膜摩擦系数低至0.25左右,比磨损率仅为1.20×10~(-3) mm~3/(N·m),表面呈轻微磨粒磨损特征。结论电解液中的Na_2MoO_4参与了成膜过程,对Ti_2AlNb合金微弧氧化膜的生长有显著的促进作用,有效地改善了Ti_2AlNb合金微弧氧化膜的耐磨性。     

TC4钛合金表面微弧氧化原位生长自润滑MoS2/TiO2膜层研究

钛合金表面减摩涂层的设计和制备是提升钛合金构件耐磨性能、保障服役安全的重要技术之一。针对于目前钛合金减摩涂层中减摩剂分散不均匀，易于团聚导致膜基结合力差等问题，本论文采用一步微弧氧化技术在TC4合金表面原位生长纳米MoS2颗粒，制备具有减磨作用的MoS2/TiO2复合陶瓷膜层；讨论了原位反应中硫源添加量对膜层微观结构及耐磨性能的影响。结果表明：以Na2S和Na2MoO4分别为硫源和钼源在TC4合金表面通过微弧氧化制备出了MoS2/TiO2复合陶瓷膜层；通过控制Na2S浓度可以原位生成具有小尺寸、均匀化分布的纳米MoS2颗粒，并实现对MoS2含量和形态的调控。随着Na2S浓度的增加，膜层结构逐渐致密化且表面粗糙度较低，当添加量到达60g/L时，由于硫沉淀作用导致膜层开始疏松，粗糙度增加。由于膜层表面和内部均存在均匀化分布且具有自润滑作用的MoS2颗粒，所得膜层耐磨性较传统微弧氧化膜层或直接添加MoS2颗粒所得膜层分别提高了395.4%、129.4%；同时，膜基结合力较传统微弧氧化提高了87.1%，达到了723.8N，说明了该技术在保证良好的自润滑效果同时改善了膜基结合力。该研究结果可以为钛合金耐磨涂层设计和制备提供新思路和研究方法。     

基于扫描式阴极的TC4合金微弧氧化行为研究

目的以磷酸盐为氧化槽液体系,在TC4合金大尺寸平板件表面获得均匀连续、无印痕的微弧氧化膜层。方法设计封闭和半封闭式扫描阴极开展氧化试验,研究不同的封闭方式对钛合金微弧氧化膜层的影响,以确定阴极的封闭形式。对试件进行微弧氧化并通过SEM/EDS检测膜层的形貌和成分。结果全封闭式阴极可有效避免弱电场对膜层的影响。半封闭阴极的开口宽度和密封方向对微弧氧化膜有影响,在开口方向,电场辐射区约150 mm,膜厚随距阴极距离的增加而递减,在阴极宽度1倍处,膜厚稍有衰减,其影响区为阴极宽度的6倍。若阴极两端均不密封,氧化影响区将是阴极宽度的12倍。结论采用前部适度敞开、后部彻底封闭的阴极构形,可控制氧化过程中由于电场强度变化引起的膜层脱落和烧蚀缺陷,获得连续均匀的微弧氧化膜。氧化工艺参数可设置为电压450 V,脉宽15,脉数500,扫描速度10 mm/min。     

船用钛合金微弧氧化膜的性能及其研究进展

钛合金密度小、比强度高、可加工性好及耐海水腐蚀性强,是一种优秀的船舶材料.然而钛合金较低的耐磨性能、耐高温氧化性能及其对异种金属的电偶腐蚀等制约了其在船舶中实际应用.通过微弧氧化在钛合金表面原位生长氧化物陶瓷层,可显著改善钛合金的以上性能.文中综述了国内外船用钛合金微弧氧化研究进展及微弧氧化对钛合金的耐磨性、耐蚀性、结合强度及抗高温氧化性能的研究现状,展望了微弧氧化技术改善船用钛合金表面性能的发展趋势.     

微弧氧化钛合金的电化学腐蚀行为

采用微弧氧化技术在TC4钛合金表面制备了多孔陶瓷层,研究了其在Hank′s模拟体液中的电化学腐蚀行为,利用SEM和XRD分析了其表面形貌和物相组成。结果表明,微弧氧化合金的自腐蚀电位升高约0.3V,提高了TC4钛合金在生物体液环境下的化学稳定性。在钛合金植入体电位范围内,微弧氧化处理可明显提高极化电阻,减少腐蚀电流1~2个数量级。随腐蚀时间的延长,TC4钛合金表面钝化膜逐渐发生腐蚀,而微弧氧化膜浸泡初期HA的形核及生长是电极反应中最活跃部分,2周后表面形成均匀的HA薄膜,表现出良好的抗电化学腐蚀性能。