Effects of Micro-Arc Oxidation of Ti6Al4V Alloy on Adhesion Property to Electroless Ni-P-ZrO2 Composite Platings and Their Wear Resistance

在Ti6Al4V合金微弧氧化膜表面制备Ni-P-ZrO2化学复合镀层,微弧氧化处理时间分别为15、30、60、90 min。采用扫描电镜/能谱仪、划痕试验、热震试验、显微硬度计和球盘式摩擦磨损试验机研究了微弧氧化膜结构对Ni-P-ZrO2化学复合镀层的结合性能与摩擦性能的影响。结果表明：随着微弧氧化时间的增加,复合镀层的结合性能显著提高,原因是微弧氧化膜的多孔性结构及其机械锁合效应。与Ti6Al4V合金相比,微弧氧化+化学复合镀处理后的试样硬度和耐磨性显著提高,Ti6Al4V合金表现为是严重的黏着磨损,而Ni-P-ZrO2复合镀层以磨砺磨损为主     

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钛合金沉积NiCrAlY涂层的氧化行为

采用电弧离子镀（AIP）技术在TC4（Ti-6Al-4V）钛合金基体表面沉积制备NiCrAIY涂层,测定TC4钛合金和NiCrAIY涂层在700-900℃的氧化动力学曲线。通过扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）分析与X射线衍射分析（XRD）研究TC4钛合金和NiCrAIY涂层氧化前后物相组成和组织形貌,讨论氧化过程中元素的扩散行为。结果表明：在700-900℃静态空气中氧化100h,NiCrAIY涂层能明显提高TC4钛合金的抗氧化性能,TC4钛合金氧化后形成A12O3层和TiO2层交替出现的氧化膜层;经700和800℃氧化后,NiCrAIY涂层保持其原始的相组成,但在表面形成Al2O3和Cr2O3混合氧化膜;经900℃氧化后,氧化膜由Al2O3和TiO2组成;经700℃氧化时,主要发生Ti和Ni两种元素的扩散;经800和900℃氧化时,由于Ti及Ni元素的剧烈扩散,界面附近出现Kirkendall疏孔带和约100μm的β相稳定区;经900℃氧化时,Ti扩散到涂层表面形成氧化物导致氧化速率提高,Cr元素开始向基体扩散并在近界面处富集。     

纳米多孔TiO2膜的晶化处理及其热稳定性研究

通过恒压阳极氧化法在HF酸和CrO3的混合电解液中，在纯钛TAl和钛合金TC4表面分别制备了纳米多孔无定型TiO2膜。研究了TAl和TC4表面无定型TiO2膜在空气中热处理的组织转变过程。TAl试样表面的纳米多孔TiO2膜在250℃左右出现锐钛矿相，480℃左右出现金红石相，在600℃左右锐钛矿相向金红石相的转变基本完成，孔结构在600℃左右基本消失；TC4试样表面的纳米多孔TiO2膜在310℃左右出现锐钛矿相，600℃左右出现金红石相，在680℃左右锐钛相向金红石相的转变基本完成，孔结构在700℃左右基本消失。TC4试样表面的氧化膜所含合金元素Al和V，对上述结晶转变温度和孔结构存在的最高温度的差别存在重要影响。     

钛及钛合金高温氧化行为研究

对工业纯钛TA2、TC4及Ti60合金分别在600、700、800℃进行氧化,得到氧化增重曲线。利用SEM、XRD等手段对氧化表面形貌、氧化产物构成及分布进行研究并分析了3种钛材在不同温度下的氧化机制。结果表明:随着温度升高,TA2、TC4以及Ti60三种钛材的抗氧化能力均有所下降,且抗氧化能力由强到弱依次为Ti60TA2TC4。工业纯钛TA2的氧化产物为TiO_2,TC4合金在600℃氧化产物为TiO_2,700、800℃为TiO_2/Al_2O_3,Ti60合金氧化产物为TiO_2/Al_2O_3。TA2和TC4钛合金在600℃时的氧化反应均受扩散过程控制,随温度升高(700、800℃),逐渐转变为界面反应控制。由于氧化产物组织结构疏松且Al_2O_3、TiO_2和基体由于热膨胀系数不同导致的应力,TC4合金氧化膜易剥落,抗氧化能力较差。Ti60合金在700、800℃的氧化反应也受扩散过程控制,Zr、Si及稀土元素的添加得到保护能力较强的致密氧化膜Al_2O_3,抗氧化能力较好。然而800℃时,富Sn、Nd相的析出诱导氧化膜剥离,抗氧化能力有所下降。     

TC4钛合金表面搅拌摩擦加工制备Ti-Cu阻燃改性层

在TC4钛合金基板表层开槽并预植入塑性的金属Cu粉体,采用搅拌摩擦加工工艺,利用Cu粉体与搅拌区钛基热塑性组织的反应扩散行为、β-Ti相稳定元素Cu对搅拌区α+β双相钛组织α/β相变行为的影响,在优化的加工工艺参数下制备TC4钛合金表面Ti-Cu合金化改性层,获得搅拌区内富β-Ti相区结构,基于Ti、Cu的二元反应扩散和固溶-析出等行为,生成了Ti_2Cu等Ti-Cu中间相,通过改变TC4基板表层的成分组成和物相结构,实现在普通TC4钛合金表层具有一定的阻燃性能。采用激光点烧蚀法对Ti-Cu改性层耐烧蚀性能进行评价,进而揭示改性层的阻燃机理:通过调控钛基体表层的α/β两相比例以提高搅拌摩擦加工冷却过程后的搅拌区β-Ti相占比,通过添加阻燃合金元素Cu在改性层内生成Ti-Cu中间相及Ti-Cu合金化层区。     

微弧离子沉积阻燃涂层及其性能

采用微弧离子表面改性技术在TC11合金表面制备阻燃涂层,采用扫描电镜、透射电镜、XRD等方法分析了阻燃涂层组织及物相,采用“钛火”液滴法试验平台测试了TC11钛合金在300～700 ℃之间的燃烧参数,验证了同等试验条件下带有阻燃涂层TC11钛合金试样在300～700 ℃之间的阻燃有效性. 结果表明,制备的阻燃涂层主要由TiZr非晶相组成,涂层致密,与基体为冶金结合,700 ℃以内具有一定的阻燃性能,分析阻燃涂层的阻燃机理主要为涂层吸收能量,减小基体对热量的吸收,同时阻止钛合金与氧接触机制来阻燃.     

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。     

复合氧化制备TC4钛合金表面多孔生物陶瓷膜层

研究了复合氧化工艺在Ti-6Al-4V(TC4)钛合金表面制备多孔TiO_2氧化膜层的工艺和性能。在乙酸钙和磷酸二氢钾电解体系中,运用阳极氧化法、微弧氧化和复合氧化方法在TC4钛合金表面制备了多孔生物陶瓷TiO_2氧化膜层,并讨论了电解液浓度(Ca/P)、成膜电压和成膜时间等参数对膜层膜厚、硬度及粗糙度等性能的影响。采用X射线衍射仪、显微硬度计、便携式粗糙度仪、扫描电镜和电化学工作站等仪器分析了表面TiO_2膜层的物相组成、显微硬度、粗糙度、耐腐蚀性和显微形貌及其结构。研究结果表明:采用恒压阳极氧化技术,在TC4表面可形成一层光滑致密氧化膜层,该膜层粗糙度比预处理过的钛合金表面大0.05μm,厚2~10μm,显微硬度为3200MPa(HV)左右,比钛合金显微硬度3100MPa(HV)略大。再在阳极氧化膜层的基础上进行复合氧化,可以在TC4表面形成具有良好耐腐蚀性的多孔TiO_2膜层。膜层的硬度可以达到7000MPa(HV),厚度达到64μm。     

微弧氧化对TC4钛合金高温抗氧化性能的影响

采用直流稳压电源,在Na2SiO3、Na3PO4电解液中对TC4钛合金表面进行微弧氧化处理,研究了微弧氧化对TC4钛合金高温抗氧化性能的影响.结果表明,经微弧氧化的TC4合金高温抗氧化性能明显优于TC4钛合金;在750℃循环氧化100h后,经300V电压微弧氧化60 min的TC4钛合金的氧化增重为7.8 mg/cm2,而未经微弧氧化处理的TC4钛合金氧化增重为30.51 mg/cm2;随着微弧氧化时间增长和电压的增大,微弧氧化TC4钛合金的高温抗氧化性能也增强.     

ZrO2 加入量对Zr-8Al合金化学复合镀性能的影响

对Zr-8Al合金进行了化学复合镀Ni-P-ZrO_2处理,并研究了不同ZrO_2粒子加入量制备的复合镀层的显微结构、显微硬度、耐磨性和抗蚀性。结果表明,与单纯化学镀Ni-P镀层相比,Ni-P-ZrO_2复合镀层的显微硬度值显著提高,ZrO_2的添加量为4 g/L获得复合镀层显微硬度最高,耐磨性好;在3.5%(质量分数)NaCl溶液中耐蚀性虽有所下降,但腐蚀后镀层完整,仍具有较好的抗蚀性。Zr-8Al合金表面采用4 g/L ZrO_2粒子制备的Ni-P-ZrO_2复合镀层兼具很好的耐磨性和较好的耐蚀性,适用于既要耐磨又要抗蚀的空间活动构件。     

金属表面Ni-P化学镀层研究现状

从力学和耐蚀性能方面,综述了Ni-P二元化学镀层、三元化学镀层和化学复合镀层的研究现状。对于不同基材上的二元镀层,表面钝化剂、络合剂和热处理影响碳钢二元镀层的力学与耐蚀性能;表面阳极化、激光表面合金化和热处理影响铝合金二元镀层的附着力、耐蚀性与硬度;表面阳极活化和热处理影响不锈钢二元镀层的结合力与硬度。对于三元镀层,热处理和激光晶化影响Ni-W-P三元镀层的耐磨性与耐蚀性;含Mo元素的Ni-Mo-P三元镀层在不同温度下热处理后,均表现出良好的耐蚀性;稀土金属氧化物可改变三元化学镀层的镀速、表面质量、晶体结构与耐蚀性能。对于复合镀层,由于添加了Si C,Si O_2,WC和PTFE等不溶性粒子,因此硬度、耐磨性、耐蚀性和自润滑性得到提高。三元化学镀层与化学复合镀层的力学和耐蚀性能明显优于二元化学镀层,是Ni-P化学镀研究和发展的方向。     

Ti60高温钛合金氧化行为研究

研究Ti60高温钛合金在600～750 ℃范围内的氧化行为.氧化增重试验及XRD、SEM分析结果表明,Ti60合金在600～750 ℃范围内氧化0～100 h条件下,由Wagner的氧化经验公式计算得氧化指数n在1～2之间,氧化激活能为256 kJ/mol,氧化符合线性-抛物线混合规律.在600 ℃氧化100 h及750 ℃氧化10 h,氧化产物为TiO2,经750 ℃、100 h长时间氧化后,表面有少量Al2O3生成,氧化物优先沿原始β晶界形核.氧除了会在试样表面形成氧化层外,还会向基体中扩散形成脆性富氧层,从而影响合金力学性能.随着氧化温度的升高和时间的延长,富氧层厚度增厚.     

稀土对化学镀镍磷合金镀层性能的影响

研究了在酸性镀液中制得的镍磷合金镀层的组织结构，探讨了稀土离子(La^3 、Y^3 )和稀土氧化物(CeO2、Y2O3)对化学镀镍磷的影响及作用机理，通过正交试验取得了稀土复合镀镍磷合金的最佳配方。同时，研究了在镀液中加入稀土元素后镀层的热处理工艺及强化机制。结果表明，酸性镀液中所得镀层为非晶态结构的胞状组织，稀土与镍共沉积在镀层中可提高镀层硬度、耐磨性，加入复合稀土元素的镀层耐磨性优于单一稀土镀层。稀土元素增强了热处理强化的效果，并使镀层与基体间产生新相FeNi3，镀层与基体的结合力明显增加。     

TC4钛合金表面化学镀Ni-P合金耐磨层研究

利用化学镀方法在TC4钛合金表面成功制备结合力良好的Ni-P合金耐磨层,研究了提高镀层结合力的方法,结合SEM、XRD、EDS等现代物理分析方法分析了不同温度热处理后镀层的组织结构,从而建立不同热处理温度、镀层结构与镀层硬度和耐磨性能的关系。结果表明:二次浸锌活化方法和热处理能显著提高镀层与基体的结合强度,经600℃热处理后镀层结合力达到35N。基材的硬度HV为3780MPa,磨损量为9.6mg,镀态镀层的硬度HV为5760MPa、磨损量为7.7mg。随着热处理温度升高Ni3P相增多,该相的弥散分布使镀层硬度增加,最高硬度HV达到9790MPa,但400℃后硬度降低,这是由于Ni3P相随着热处理温度的继续升高而发生偏聚,使弥散强化程度下降;镀层的磨损量随着热处理温度的升高而减小,说明耐磨性能随着热处理温度的升高而增强,600℃热处理后,虽然镀层晶粒长大、粗化及镀层硬度降低,但此时镀层晶格的完整性最佳,镀层塑性和韧性提高,所以耐磨性能最好。     

TA2表面等离子渗铌合金层在700~900 ℃的氧化行为

采用双辉技术在TA2基体表面渗入铌形成结构致密、与基体形成冶金结合的钛铌合金层。结合XRD、SEM及EDS等手段分析渗铌和未渗铌TA2试样分别在700、800、900℃的高温氧化行为。实验结果表明:随着氧化温度的提高,氧化增重增加,渗铌比未渗铌的氧化增重降低,抗高温氧化性能改善,特别在900℃铌的作用明显;对渗铌和未渗铌TA2在900℃分别氧化20、40、100 h后氧化层的表面及截面进行分析,获得对合金层成分、结构、氧化性能之间关系的认识。钛铌合金层高温氧化后的氧化层是由三部分组成:外层是由高浓度合金层氧化而形成,其氧化产物主要是Nb2O5/TiO2,中间层主要由TiO2/TiO和Nb2O5组成,内层是分布着条状的富铌相。     

铝合金微弧氧化陶瓷膜表面复合化学镀 Ni-P-SiC 的研究

采用复合化学镀方法在铝合金微弧氧化陶瓷膜表面制备了Ni-P-SiC复合镀层,研究了镀液中SiC浓度对复合镀层物相、显微组织、沉积速率的影响,并测试了复合涂层(陶瓷膜/复合镀层)的结合力。结果表明:Ni-P-SiC复合镀层为非晶态结构,与陶瓷膜的界面清晰,完全封闭了微弧氧化陶瓷膜表面的微孔;随着镀液中SiC含量的增加,复合镀层沉积速率降低,SiC共析量则是先快速增大,当含量达到16 g/L后就基本保持不变。     

温度和载荷对TC4合金磨损性能的影响

采用MG-2000型销盘式高温磨损试验机对TC4合金在环境温度为25~600℃、载荷为50~250 N时的磨损性能进行了研究。利用SEM、EDS和XRD等对试样磨面和剖面的形貌、成分及结构进行了观察与分析。实验结果表明,在25~300℃,TC4合金的磨损率随着温度的升高而升高。磨面呈犁沟及黏着痕迹,磨损机制为黏着磨损和磨粒磨损。在400℃时,磨面局部被摩擦氧化层所覆盖,磨损率随着载荷的增加缓慢下降,磨损机制为黏着磨损、磨粒磨损和氧化磨损。在500~600℃,磨面大部分被摩擦氧化层所覆盖,磨损率很低且随载荷变化很小,磨损机制为氧化磨损。可见,TC4合金在500~600℃具有优异的耐磨性能。     

High-Temperature Oxidation Behavior of Ti-22Al-27(Nb, Zr) Alloys

研究了Ti2Al Nb基合金Ti-22Al-(27-x)Nb-x Zr(x=0,1,6,at%)在650~800℃的氧化行为。采用XRD和SEM等测试技术对此温度区间形成的氧化层特征进行了分析。结果表明,相比Ti-22Al-27Nb,含锆合金具有较好的抗氧化性能。Ti-22Al-(27-x)Nb-x Zr合金在650℃氧化100 h,主要氧化产物为Ti O2,而在800℃氧化100 h,Ti O2,Al2O3和Al Nb O4为主要产物,但是在Ti-22Al-21Nb-6Zr合金中还有Zr O2生成。Ti-22Al-26Nb-1Zr合金具有优异抗氧化性能,归因于氧化产物细化形成了致密的氧化层,而Ti-22Al-21Nb-6Zr合金,虽然在800℃也形成了较多Al2O3,但是氧化层中的Zr O2为氧的快速扩散提供通道,进而导致该合金氧化增重明显。