钛合金表面离子束增强沉积的Cr和CrMo合金膜层及其性能

利用多功能离子束增强沉积(IBED)设备，在Ti6Al4V钛合金表面制备Cr和CrMo合金膜层，以提高钛合金表面的耐磨性能。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、辉光放电光谱仪和显微硬度计分析和测试了IBED膜层的结构、形态、成分分布、硬度和膜基结合强度的大小。利用球一盘磨损试验机和电化学综合测试仪研究了IBED膜层的摩擦学性能和电化学腐蚀特性。结果表明，利用IBED方法可以在难镀材料钛合金表面制备膜基结合强度高、结晶致密和晶粒尺寸达纳米级的高硬度Cr膜和CrMo合金膜层，显著提高了钛合金表面的抗磨性能，且膜层本身有很好的耐Cl^-介质环境电化学腐蚀性能，与钛合金基体之间有很好的接触腐蚀相容性。     

磁控反应溅射沉积CrN薄膜的抗氧化性研究

通过磁控反应溅射在H1模具钢表面沉积了CrN薄膜.用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)观察了试样的表面形貌,进行了物相分析,研究了CrN薄膜的抗氧化性能,讨论了膜层的抗氧化行为和机制.结果表明:在500℃以下,CrN膜层具有良好的抗氧化性,能大大提高基体的抗氧化性能.当温度超过600℃时,由于膜层产生剥落而失去使用性能.     

调制比对Cr/CrN/Cr/CrAlN多层膜结构及性能的影响

目的 探究Cr/CrN/Cr/CrAlN多层膜的最佳调制比.方法 利用电弧离子镀技术,在TC4钛合金上制备了不同调制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN多层膜.利用扫描电子显微镜观察膜层表面和截面形貌;用Image-Pro分析软件对表面的大颗粒进行定量分析;利用X射线衍射法表征膜层的晶体结构;采用维氏硬度计测量膜层的显微硬度;采用划痕试验仪测量膜层与基体之间的结合力(临界载荷);通过基片弯曲法测量并计算得到膜层的残余应力;利用根据ASTM G76-05标准特制的AS600-喷砂试验机进行了抗冲蚀性能测试;采用三维表面轮廓仪测量冲蚀坑深度.结果 膜层表面质量和生长取向与LCr/CrN:LCr/CrAlN调制比密切相关,随着Cr/CrN比例的增加,膜层表面质量越来越好,择优取向由(111)晶面转为(200)晶面.多层膜的硬度随Cr/CrN比例的增加,呈下降趋势,结合力、残余应力和韧性则随之呈先升后降的趋势,并在LCr/CrN:LCr/CrAlN为1:2时,达到最佳.多层膜的抗砂粒冲蚀性能变化与力学性能变化一致,在LCr/CrN:LCr/CrAlN为1:2时达到最佳,其抗冲蚀能力是TC4基材的3倍以上,多层膜呈典型的脆性断裂失效形式.结论 在调制比LCr/CrN:LCr/CrAlN=1:2时,膜层获得最佳的抗冲蚀性能.     

基体材料对Cr/CrN多层涂层在海水环境中磨蚀性能的影响

目的 讨论海水环境下不同基体材料对Cr/CrN交替的多层复合涂层磨蚀性能的影响,为海水环境下耐磨蚀材料基体的选择和应用提供参考。方法 采用多弧离子镀技术在316L不锈钢和TC4钛合金基体上沉积Cr/CrN多层复合涂层,通过XRD、SEM等技术对涂层材料的微观结构进行表征,通过硬度测试、结合力测试、电化学分析、摩擦磨损试验等技术对涂层材料的力学性能、电化学性能以及摩擦学性能进行分析,比较不同基体对Cr/CrN多层涂层在海水环境中磨蚀性能的影响。结果 以TC4钛合金为基体的Cr/CrN多层涂层的硬度为1727.2HV0.3,虽略小于以316L不锈钢为基体的涂层硬度（2241.5HV0.3）,但其在膜-基结合力、海水环境下电化学性能和摩擦学性能等方面均优于以316L不锈钢为基体的涂层。结合力测试中,以TC4为基体的多层涂层初始裂纹出现在31 N,扩展裂纹出现在42 N,大于316L基体涂层的22 N和35 N。电化学测试中TC4基体涂层的腐蚀电位为?0.20 V,大于316L基体涂层的腐蚀电位（?0.21 V）。海水环境下TC4基体涂层的平均摩擦系数和磨损率分别为0.35和2.9950×10?5 mm3/(N?m),均小于316 L基体涂层的平均摩擦系数（0.36）和磨损率（4.9895×10?5 mm3/(N?m)）。结论 TC4钛合金更适合作为海水环境用Cr/CrN多层涂层耐磨蚀材料的基体材料。     

Cr基及其化合物过渡层对TiCN涂层性能的影响

为研究过渡层材料及结构对TiCN涂层性能的影响,设计3种Cr基及其化合物过渡层,利用多弧离子镀技术制备TiCN涂层。膜系分别为Cr/TiCN、Cr/CrN/TiCN和Cr/CrN/CrCN/TiCN。利用SEM、XRD、纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损试验机和球磨仪对涂层的微观结构和性能进行表征。结果表明:随着过渡层由单层Cr依次加入CrN和CrCN,涂层原有的柱状晶生长被抑制并最终消除。与具有Ti过渡层的TiCN相比,涂层不再具有明显择优取向,(111)峰强度大大减弱而(200)峰发生宽化。具有CrN和CrCN过渡层的样品硬度和附着力明显高于以单层Cr为过渡层的样品,Cr/CrN/CrCN/TiCN膜系硬度和附着力最高,分别为(30.11±0.34)GPa和(37.21±0.46)N。摩擦磨损试验结果表明:CrCN过渡层的引入显著提升了涂层耐磨性,其对应样品摩擦因数最低,达到0.111,并在球磨测试中表现稳定,而其它膜系均出现不同程度的磨损形貌。     

多弧离子镀沉积Ti/TiN多层薄膜的摩擦磨损及电化学性能

软硬交替多层结构的薄膜因其优异的抗摩擦磨损性能和耐腐蚀特性使其在工程领域具有重要的应用价值。利用多弧离子镀在不锈钢和Si(100)表面沉积了Ti N单层薄膜和3种不同Ti/Ti N调制比的多层膜,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、CSM摩擦磨损试验机和电化学工作站分别分析了薄膜的结构特征、耐磨损性能和电化学性能。结果表明:多层膜层状结构明显,Ti N相出现(111)面择优取向;Ti与Ti N沉积时间比为1∶5的样品具有较低的摩擦因数(0.26)和磨损率(6.6×10–7 mm3·N–1·m–1);在3.5%Na Cl溶液中,多层膜样品的腐蚀电流密度较不锈钢基体降低了两个数量级,腐蚀电位较不锈钢基体明显提高,表明多层膜可以提高不锈钢基体的耐腐蚀性。     

高引燃脉冲新HiPIMS模式对TiN/CrN多层膜结构和性能的影响EI北大核心CSCD

多层TiN/CrN薄膜能显著改善复杂环境下部件的性能和寿命,为获得性能良好的TiN/CrN多膜层,提出一种高引燃脉冲新HiPIMS模式(高功率脉冲磁控溅射技术)的新放电技术,在一到四引燃脉冲个数条件下制备TiN/CrN多层薄膜。结果表明,随着引燃脉冲个数的增加,TiN/CrN薄膜膜基结合力增加,三引燃脉冲条件下结合力达到HF1(压痕法结合力指标,HF1为性能良好)压痕边缘膜层出现碎裂但膜层并未崩裂,在四引燃脉冲条件下膜基结合力也为HF1,且相较三引燃脉冲膜层碎裂也消失,膜基结合力最佳。同时,随着引燃脉冲个数的增加,膜层的粗糙度下降,磨痕变窄,硬度增强,硬度的波动范围减小,薄膜摩擦因数逐渐降低,四引燃脉冲条件下摩擦因数为0.25,膜层厚度呈先增加后减小的趋势,在三引燃脉冲个数条件下达到最大值332.1 nm试验结果表明引燃脉冲能够强化膜层与基体之间的结合力,硬度以及摩擦磨损的性能,细化晶粒。     

Cu/Ni多层膜对Ti811合金微动磨损和微动疲劳抗力的影响

在Ti811钛合金表面利用离子辅助磁控溅射沉积技术制备20～1200nm不同调制周期的Cu/Ni金属多层膜,分析多层膜的结构,测试膜基结合强度、膜层显微硬度和韧性,对比研究不同调制周期的Cu/Ni多层膜对钛合金基材常温下微动磨损性能和微动疲劳(FF)抗力的影响。结果表明:利用离子辅助磁控溅射技术可以获得致密度高、晶粒细化、膜基结合强度高的Cu/Ni多层膜,该类多层膜具有良好的减摩润滑作用,因而改善了Ti811钛合金常温下抗微动磨损和微动疲劳性能;Cu/Ni多层膜对钛合金FF抗力的改善程度随膜层调制周期呈现非单调变化趋势,调制周期为200nm的Cu/Ni多层膜对钛合金FF抗力的提高程度最大,原因归于该膜层具有良好的强韧和润滑综合性能。     

TiAlCrN和TiAlCrN/CrN复合膜的微观组织与力学性能

利用离子氮化形成过渡层,通过改变溅射沉积工艺参数,制备了TiAlCrN和TiAlCrN/CrN多层复合膜.采用电子探针(EPMA)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米压痕仪及微米划痕仪等技术表征两种复合膜的成分结构和力学性能.结果表明:两种膜都是面心立方结构,TiAlCrN膜和TiAlCrN/CrN多层膜分别在(111)和(200)面具有一定的择优取向;TiAlCrN膜的结构和成分都比较均匀,而TiAlCrN/CrN多层膜的结构和成分则呈周期性变化.由于离子渗氮层的支撑作用及氮化物外延生长,TiAlCrN/CrN多层膜的显微硬度(3 450 HV)高于TiAlCrN膜的(2 500 HV);两种膜都具有较高的膜基结合力,但TiAlCrN/CrN多层膜的综合力学性能比TiAlCrN膜的更好.     

离子束增强沉积CrN膜层及其微动摩擦学性能研究

以不同氮离子辅助轰击能量制备CrN膜层．利用纳米压入仪及显微硬度计分别测试单晶Si片上膜层的硬度及断裂韧度K1C．使用XRD、XPS及EPMA分析离子轰击能量对镀层组织结构的影响。结果表明，采用能量较低的氮离子轰击得到的涂层，由于金属Cr的存在，涂层硬度虽有所降低，但断裂韧度K1C数值较高。选择较低的4keV辅助轰击能量，在M2高速钢基体上沉积CrN涂层，膜层在空气介质中表现出优异的耐磨减摩特性.但在水介质条件下，由于膜层接触区域的去钝化，再钝化使腐蚀和磨损相互加速，导致CrN膜层摩擦系数，尤其是磨损量明显高于基材。     

SP700 钛合金的热处理 / 阳极氧化工艺研究

目的采用电化学阳极氧化法,在SP700钛合金的表面制备多孔结构的氧化膜。方法利用Autolab PGSTAT30型电化学工作站,采用三电极体系,辅助阴极为石墨电极,参比电极为饱和甘汞电极,工作电极为试样,测定试样的动态极化曲线和阳极氧化I-t曲线。利用扫描电子显微镜观察阳极氧化表面多孔氧化膜的微观形貌,分析热处理工艺、阳极氧化电压、电解液成分等参数对SP700钛合金阳极氧化行为的影响规律。结果钛合金材料经固溶时效处理后,α相和β相的相对含量发生了变化,从而使氧离子对电化学反应界面的内应力发生变化,使得表层氧化膜更加平整,耐腐蚀性提高。F-是阳极氧化膜上纳米孔形成的必要条件,随着F-浓度的增加,阳极氧化膜表面纳米孔的密集程度增加,孔径减小,氧化膜厚度增加。在一定范围内,随着阳极氧化电压的增大,氧化膜增厚,但电压过高会破坏氧化膜的稳定性。结论用电化学阳极氧化法处理钛合金表面,得到了多孔结构的氧化膜,获得了理想的耐腐蚀性能。固溶时效处理后,钛合金的耐腐蚀性提高。     

铝合金微弧氧化膜在高温盐水中的耐蚀性能研究

研究5052铝合金微弧氧化膜在70℃/7%NaCl溶液中浸泡不同时间的开路电位和电化学阻抗谱变化,分析微弧氧化膜层的防腐机理。研究表明,高温腐蚀溶液可快速通过微弧氧化膜缺陷渗透到基体铝合金表面,从而引发基体金属腐蚀;但腐蚀产物在膜层缺陷内的沉积可阻塞腐蚀溶液向缺陷内部渗透,又使微弧氧化膜具有一定的自修复能力,膜层电阻经过初始阶段的急剧下降后,基本保持不变;对微弧氧化膜进行封闭处理可有效提升膜层的自修复能力。     

Composite cerium oxide/titanium oxide thin films for corrosion protection of AZ91D magnesium alloy via sol–gel process

Anti‐corrosive composite cerium oxide/titanium oxide (CeO₂/TiO₂) thin films were successfully prepared on an AZ91D magnesium alloy substrate by applying cerium oxide (CeO₂) thin films as the inner layer with a sol–gel process. Composition and surface morphology of the thin films were analyzed using X‐ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). XRD showed that the composite films consisted of cerianite and anatase phases. The wettability of the thin films was evaluated by water contact angles measurements. Potentiodynamic polarization curves and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) tests were used to evaluate the corrosion behavior of the bare substrate and coated samples in 3.5 wt% sodium chloride solution (3.5 wt% NaCl). The results demonstrated that titanium oxide (TiO₂) thin film mainly dominated the corrosion resistance of samples and the composite films with excellent hydrophilicity could significantly improve the corrosion resistance of AZ91D magnesium alloy.     

TA16和TA17钛合金在高温高压水中的腐蚀行为研究

研究了TA16和TA17钛合金在高温高压中性水质中的电化学行为、均匀腐蚀行为和应力腐蚀行为.结合SEM和XPS分析技术,分析了腐蚀后合金表面形貌和氧化膜的组成.研究结果表明:在高温高压中性水质中,两种钛合金具有很好的耐腐蚀性能,TA16钛合金的钝化性能、抗均匀腐蚀和抗应力腐蚀性能均优于TA17合金,腐蚀后两种钛合金表面生成了表层由TiO2组成、内层由TiO2、Ti2 O3和TiO组成的致密氧化膜.     

Porous TiO2 film prepared by micro-arc oxidation and its electrochemical behaviors in Hank's solution

Porous titanium oxide film was prepared by micro-arc oxidation (MAO) method on the surface of titanium alloy in electrolyte containing Ca and P. Surface characterizations of the film were carried out using X-ray diffractometer (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS) before and after immersion in Hank's solution. Electrochemical behaviors and corrosion resistance were studied by electrochemical techniques. The film was mainly composed of titania, α-tricalcium phosphate (α-TCP) and amorphous Ca-P compounds. α-TCP and amorphous compounds could transformed into hydroxyapatite (HA) when immersed in Hank's solution. MAO film showed higher corrosion potential and lower corrosion current than the titanium alloy and its chemical stability was slightly changed after formation of HA. Fitted electrochemical impedance spectroscopy (EIS) data indicated that after immersion for 2 weeks the MAO film kept good corrosion resistance. Porous TiO₂ film on titanium alloy by MAO method showed good chemical stability in Hank's solution and the transformation of Ca-P compounds into HA indicated that MAO was an effective method for preparing titanium alloys as bioactive artificial bone substitute even when Ca and P in the tissue environment were not abundant.     

Mg-Li合金表面浅绿色超疏水复合膜层的制备及耐蚀性能研究

通过微弧氧化着色技术在Mg-Li合金表面生成浅绿色类陶瓷膜层,并在着色膜表面有机镀膜复合改性。用蒸馏水在镀膜表面的静态接触角以及动电位极化曲线和电化学阻抗谱测试,分别研究复合改性前后润湿性及耐蚀性。结果表明,微弧氧化着色表面通过有机镀膜生长了一层有机薄膜,接触角由近0°变为169.2°,实现了超亲水到超疏水的功能转化。Mg-Li合金基体经微弧氧化着色改性后,耐蚀性能明显提高,经复合改性后耐蚀性能进一步提高;与基体相比,超疏水复合膜在0.1 mol/L NaCl溶液中的动电位极化腐蚀电流密度减小3个数量级,电化学阻抗提高3个数量级。     

电镀Al-Mn合金及后续阳极氧化对镁合金防护性能的影响

为提高镁合金的耐腐蚀性能,采用无机熔盐电镀技术在镁合金表面电镀铝锰合金,其后在草酸溶液中对铝锰合金镀层进行阳极氧化处理,以制备耐蚀性优良的阳极氧化膜。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等对阳极氧化膜的微结构进行表征,采用电化学测试方法对阳极氧化膜的耐腐蚀性能进行评价。结果表明,Al-Mn合金镀层在草酸溶液中形成的阳极氧化膜主要由稳态的α-Al2O3和亚稳态的γ-Al2O3所组成,并含有少量的MnO2及Al(MnO4)3,该阳极氧化膜具有很强的绝缘特性,其腐蚀电流密度较Al-Mn合金镀层下降了约3个数量级,较基体镁合金下降了约6个数量级,极大地提高了镁合金的耐腐蚀性。     

Corrosion Behavior of Surface-Treated Implant Ti-6Al-4V by Electrochemical Polarization and Impedance Studies

Implant materials for orthopedic and heart surgical services demand a better corrosion resistance material than the presently used titanium alloys, where protective oxide layer breaks down on a prolonged stay in aqueous physiological human body, giving rise to localized corrosion of pitting, crevice, and fretting corrosion. A few surface treatments on Ti alloy, in the form of anodization, passivation, and thermal oxidation, followed by soaking in Hank solution have been found to be very effective in bringing down the corrosion rate as well as producing high corrosion resistance surface film as reflected from electrochemical polarization, cyclic polarization, and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) studies. The XRD study revealed the presence of various types of oxides along with anatase and rutile on the surface, giving rise to high corrosion resistance film. While surface treatment of passivation and thermal oxidation could reduce the corrosion rate by 1/5th, anodization in 0.3 M phosphoric acid at 16 V versus stainless steel cathode drastically brought down the corrosion rate by less than ten times. The mechanism of corrosion behavior and formation of different surface films is better understood from the determination of EIS parameters derived from the best-fit equivalent circuit.     

Corrosion and biocompatibility of PPy/PEG coating electrodeposited on Ti6Al7Nb alloy

This work aims to improve the corrosion rate of Ti6Al7Nb alloy and to increase its biocompatibility at the same time, obtaining polymer composite films based on polypyrrole/polyethylene glycol (PPy/PEG). The elaboration method was electrodeposition. FT‐IR analysis was performed in order to emphasize the formation of the PPy‐PEG composite film by incorporating PEG into the polymer structure. The paper is focussed on PEG (400 molecular weight) effect on the corrosion in bioliquids (as tested electrochemical bioliquid was chosen Hank's balanced salt solution) and on the biocompatibility properties. The PPy film significantly improves the biocompatibility of the Ti6Al7Nb alloy. The PEG presence in the polymerization solution leads to more stable composite polymer films on the titanium alloy surface with a better corrosion resistance and a more hydrophilic behaviour comparing with the PPy film. The increase of cell viability and proliferation potential as compared to the PPy film is not important.