氧化锆添加剂对钛合金微弧氧化陶瓷层性能的影响

田宏 田侃 赵广朋

摘要：在Na3PO4-NaAlO2-ZrO2电解液体系中，对TC4钛合金进行微弧氧化处理，制备出含有ZrO2颗粒的陶瓷层。采用XRD、SEM等方法分析涂层的组织结构，并评价涂层的耐磨性能。结果表明：涂层主要由TiO2、Al2TiO5及ZrO2相组成。TC4钛合金基体对GCr15摩擦副磨损时的摩擦系數在0.3～0.8之间，微弧氧化后涂层的摩擦系数为0.1～0.2之间。ZrO2微粒的加入使合金表面摩擦系数减小，有效地提升了TC4钛合金的表面耐磨损性能。

关键词：钛合金;微弧氧化;ZrO2微粒;陶瓷层;摩擦磨损性能

钛合金具有高熔点、优秀的耐腐蚀性、强度高质量轻等优点，已被广泛应用于航空、航天、汽车等领域，但也存在其自身难以克服的弱点，如硬度低、耐磨损性差等，在实际应用中常采用各种表面技术提高其性能[1]。微弧氧化技术作为一种新型的表面处理方法，是在金属基体上原位生长陶瓷涂层，和基体结合良好[1]。ZrO2作为一种陶瓷材料，其具高硬度、高抗弯强度和高耐磨性，且其作为固体润滑剂时有良好的润滑性能[2]。因此，研究氧化锆添加剂对微弧氧化陶瓷层耐磨性能的影响具有重要意义[3]。

本文在以磷酸盐为主体的电解液中加入氧化锆添加剂，采用微弧氧化法在钛合金表面制备陶瓷涂层，利用SEM、XRD等方法分析涂层的组织结构，并评价涂层的耐磨性能。

1  实验方法

TC4钛合金为基体材料，利用脉冲微弧氧化装置对合金进行表面处理。电解液为Na3PO4-NaAlO2体系，电压550V，频率600 Hz，占空比25%，氧化时间15 min。

采用X射线衍射对涂层进行物相分析，使用CuKαX射线源，连续扫描模式，步长0.02 °，每步0.5 S，2θ：20～90 °。在扫描电镜上观察涂层表面形貌，用蔡司显微镜观察涂层的截面形貌。

采用MMW-1摩擦磨损试验机测试试样的摩擦系数。摩擦副为GCr15，直径为10mm，硬度60HRC。施加的载荷为10N，转速为450r/min，时长为300s，试验过程中由计算机实时采集被测材料的摩擦系数。

2  结果与讨论

2.1  涂层的组织结构

图1为TC4钛合金微弧氧化涂层的XRD图谱。涂层主要是TiO2、Al2TiO5和ZrO2相组成。

图2为TC4钛合金微弧氧化涂层的表面形貌及能谱分析。图中显示，陶瓷层表面分布着大小不等微孔，Zr元素来源于ZrO2添加剂，微弧放电过程中的瞬时高温高压使弥散分布的ZrO2不断融化且参与反应，最终和基体产生的熔融物结合在一起，覆盖于陶瓷层表面[54]。

2.2  涂层的耐磨性能

图3为TC4 钛合金基体和涂层试样与GCr15摩擦副对磨时的摩擦学试验结果。可以看出，在试验条件范围内，TC4钛合金起始的摩擦系数在0.3～0.5之间，摩擦系数稳定在0.3～0.8之间，在摩擦过程中出现明显摩擦系数的跳动。微弧氧化陶瓷层的摩擦系数为0.1～0.2，摩擦系数有了明显的降低，摩擦系数的波动也更加平稳。微弧氧化陶瓷层表面的微凸体起到了固体润滑剂和载荷转移的作用，使陶瓷层的摩擦系数降低，有效的提升了微弧氧化陶瓷层的耐磨损性能[59]。

3  结论

1）采用微弧氧化法在TC4钛合金表面制备出了含ZrO2的陶瓷涂层。涂层主要由TiO2、Al2TiO5和ZrO2相组成。

2）在对磨GCr15的摩擦磨损实验中，TC4钛合金的摩擦系数在0.3～～0.8，微弧氧化陶瓷层的摩擦系数为0.1～0.2，摩擦系数的波动也更加平稳，有效的提升了微弧氧化陶瓷层的耐磨损性能。

参考文献：

[1] 吴云峰， 杨钢， 方树铭， 等. 钛合金微弧氧化影响因素及研究现状[J]. 热加工工艺， 2013， （08）：18-21.

[2] 李喜军， 邱明， 袁文征. 自润滑关节轴承衬垫材料摩擦学性能的研究进展[J]. 煤矿机械， 2009.

[3] 洪尚坤， 黎清宁， 屈婧婧， 等. 硝酸铈添加剂对7075铝合金微弧氧化陶瓷膜特性的影响[J]. 中国表面工程， 2014， （06）：100-127.

[4] 李玉海， 张勤， 刘馨， 等. TC4钛合金微弧氧化复合陶瓷膜制备及耐磨性能研究[J]. 功能材料， 2015， 9：1-4.

[5] 蔡立君. zm5镁合金及其微弧氧化陶瓷层的冲击磨损特性研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库， 2007.