TC4合金上新型宽温度范围自润滑涂层的设计、制备及其摩擦学性能

《Surface and Coatings Technology》：Design, preparation, and tribological properties of novel wide temperature range self-lubricating coatings on TC4 alloy

微弧氧化结合聚丙烯酸刮涂制备的双层自润滑涂层在25-300℃范围内摩擦系数稳定在0.1-0.2，显著优于未涂层和单一MAO涂层，同时克服了高温下聚丙烯酸碳化导致的性能劣化问题。

　　本研究通过结合微弧氧化（MAO）和刮刀涂覆技术，成功制备了一种适用于25至300摄氏度宽温范围的双层自润滑涂层。该技术在钛合金TC4基体上形成了具有优异自润滑性能的复合结构，其摩擦系数在实验范围内始终保持在0.1至0.2之间，远优于未涂层基体和单一MAO涂层的性能。这种涂层不仅在常温条件下表现出良好的润滑特性，而且在高温下仍能维持稳定性能，即便在300摄氏度时，聚丙烯酸（PAA）涂层发生了碳化，其自润滑能力并未显著下降。该研究为钛合金在高温环境下的应用提供了新的解决方案。

钛及其合金因其独特的物理和化学性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造和医疗领域。这些材料具有低密度、高比强度、良好的耐腐蚀性和生物相容性，使其成为高性能结构材料的理想选择。然而，钛合金在实际应用中也面临一些挑战，例如表面硬度较低、摩擦性能不佳，特别是在高磨损环境下，容易发生磨粒磨损和粘着磨损，从而限制了其在机械工程中的进一步发展。因此，提升钛合金的摩擦性能对于拓展其在高端制造领域的应用具有重要意义。

为解决这一问题，研究人员开发了多种表面强化和涂层改性技术。表面强化方法主要包括喷丸处理、超声冲击处理和滚压处理等。这些方法通过改变材料表面的微观结构，提高其硬度和耐磨性。例如，有研究表明，通过喷丸处理TC4钛合金，其表面硬度提高了51.4%，而磨损率则降低了两个数量级。此外，涂层改性技术如等离子喷涂、激光熔覆和磁控溅射也被广泛应用。其中，磁控溅射技术在制备Ag掺杂的TaN纳米复合涂层方面表现突出，该涂层的摩擦系数比未涂层TC4基体降低了77.2%，比纯TaN涂层降低了67.3%。

微弧氧化（MAO）作为一种先进的表面处理技术，被认为是提升钛合金表面性能的重要手段之一。该技术通过在高电压放电条件下进行电化学反应，使金属表面形成陶瓷层。与传统的阳极氧化相比，MAO技术能够实现更复杂的热化学反应，从而在金属表面形成具有特定化学组成、相结构和功能特性的陶瓷涂层。这种涂层不仅具有优异的耐腐蚀性和高温氧化稳定性，还具备良好的生物相容性，使其在多个领域中具有广阔的应用前景。例如，MAO涂层已被用于提升钛合金的耐蚀性能、耐磨性能、生物相容性以及高温氧化稳定性。

MAO涂层的微观结构主要由放电通道的形成所决定，这些通道在反应过程中产生微孔和微凸起，使涂层呈现出多孔且粗糙的表面特征。尽管这种多孔结构有助于涂层的功能化，但其在形成过程中经历的快速热循环也可能导致表面脆性，从而引发微裂纹的产生。这些微孔成为引入功能性粒子的理想场所，以进一步提升涂层的性能。研究中常使用的功能性粒子包括氧化陶瓷（如Al?O?和TiO?）、层状固体润滑剂（如MoS?和六方氮化硼）以及聚合物基材料（如PTFE）。通过在MAO涂层中引入这些粒子，可以有效改善其在特定环境下的摩擦性能。

近年来，研究人员致力于开发适用于高温环境的自润滑涂层，以应对钛合金在高温下的摩擦性能下降问题。已有研究表明，通过将MAO与磁控溅射等技术相结合，可以制备出在600摄氏度下摩擦系数仅为0.4的复合自润滑涂层。此外，有研究在Ti-39Nb-6Zr合金上制备了TiO?-Nb?O?-ZrO?复合涂层，该涂层在200摄氏度时摩擦系数低至0.23，但在400摄氏度时摩擦系数显著上升至0.76，表明其自润滑性能在高温下完全丧失。这提示在高温环境下，涂层的设计需要更加谨慎，以确保其在极端条件下的稳定性和功能性。

为了克服高温环境下功能性粒子脱落的问题，研究人员尝试在MAO涂层表面引入具有自润滑特性的聚合物材料。其中，聚丙烯酸（PAA）因其高水溶性和强表面吸附能力，被广泛用于润滑膜的制备。PAA能够在摩擦界面形成稳定的水合膜，从而显著降低摩擦系数。此外，PAA在超过200摄氏度时仍表现出良好的热稳定性，使其成为高温自润滑涂层的理想基础材料。

基于上述研究背景，本研究提出了一种新型的双层自润滑涂层结构，该结构由MAO形成的多孔陶瓷层和刮刀涂覆的PAA自润滑层组成。MAO涂层作为耐磨基底，提供了良好的机械支撑，而PAA涂层则通过其润滑特性，进一步降低了摩擦系数。这种双层结构不仅实现了涂层与基体之间的良好结合，还有效提升了涂层在不同温度条件下的自润滑性能。研究结果表明，该双层涂层在25至300摄氏度范围内均表现出优异的摩擦性能，且其自润滑能力在高温条件下依然保持稳定。

在实验过程中，研究团队采用了多种方法对涂层的微观结构和性能进行了系统分析。首先，通过材料和涂层制备参数的设定，确保了MAO涂层的均匀性和多孔性。随后，利用表面和截面形貌分析技术，研究了MAO涂层的微观结构特征，包括其多孔性、微裂纹以及化学成分。结果显示，MAO涂层主要由结晶态的A-TiO?和R-TiO?以及非晶态物质组成，其中Si和O元素的含量较高，这可能与其在电解液中的反应过程有关。

刮刀涂覆技术被用于在MAO涂层表面沉积PAA润滑层。该技术具有操作简便、涂层均匀等优点，能够有效填补MAO涂层中的微孔，形成连续的润滑膜。通过调整PAA涂层的厚度，研究团队进一步探讨了其对自润滑性能的影响。实验结果表明，PAA涂层的厚度对摩擦系数具有显著影响，适当的涂层厚度能够在不同温度条件下实现最佳的自润滑效果。此外，研究还分析了不同温度条件下涂层的摩擦行为，发现该双层结构在高温下依然能够维持较低的摩擦系数，表现出良好的稳定性。

在实际应用中，涂层的性能不仅取决于其材料选择和结构设计，还受到多种因素的影响，包括涂层厚度、表面粗糙度、环境条件等。因此，本研究通过系统实验和分析，为钛合金在高温环境下的应用提供了理论支持和技术依据。该双层自润滑涂层不仅具有优异的摩擦性能，还具备良好的热稳定性和环境适应性，有望在航空航天、汽车制造和高温设备等领域得到广泛应用。

此外，本研究还对涂层的磨损机制进行了深入探讨。通过分析不同温度下的摩擦行为，研究团队发现，涂层的磨损主要受到表面微结构和润滑膜形成能力的影响。在高温条件下，虽然PAA涂层发生了碳化，但其仍然能够维持一定的润滑性能，这可能与其在高温下的结构稳定性有关。同时，MAO涂层的多孔结构为PAA润滑层的渗透提供了通道，使其能够在摩擦过程中持续释放润滑成分，从而降低摩擦系数。

综上所述，本研究通过创新性的双层结构设计，结合MAO和刮刀涂覆技术，成功制备了一种适用于宽温范围的自润滑涂层。该涂层不仅在常温下表现出优异的润滑性能，而且在高温条件下仍能维持稳定的摩擦系数，为钛合金在高温环境下的应用提供了新的解决方案。研究结果为未来开发更高效、更耐用的自润滑涂层提供了重要的参考，也为相关工业领域提供了技术支持。