通过差温轧制制备的AA2024/RO5252和AA2024/AA1060/RO5252复合材料具有较高的比强度和优异的辐射屏蔽性能

《Materials Science and Engineering: A》：High specific strength and radiation shielding of laminated AA2024/RO5252 and AA2024/AA1060/RO5252 composite materials prepared by differential temperature rolling

等离子体脉冲微弧氧化（MAO）处理通过调控涂层结构及界面特性显著提升TC6钛合金的力学性能。研究发现，随着电流频率增加，Al?TiO?和TiO?涂层密度提升，界面处形成内层非晶相Al?TiO?纳米晶和外层晶态TiO?结构，电子风效应导致基体晶格缺陷密度增加，诱发变形孪晶和元素偏析，从而增强界面结合强度与韧性，使500Hz处理样品抗拉强度提高7.4%。

　　

王少青|谢发勤|吴向青|何家宇|杨汉明|严汉阳|杨忠

西安工业大学材料与化学工程学院，中国西安710021

摘要：

为了研究等离子体脉冲微弧氧化（MAO）处理对TC6钛合金拉伸性能的影响机制，在TC6合金基底上制备了MAO涂层。系统分析了TC6基底和MAO处理样品的准静态拉伸行为，并详细检查了涂层-基底界面。结果表明，MAO涂层主要由Al₂TiO₅和TiO₂组成，随着电流频率的增加，涂层微观结构逐渐变得更加致密。在涂层-基底界面处，涂层由含有纳米级Al₂TiO₅颗粒的内层非晶层和结晶度较高的外层组成。MAO处理显著提高了TC6合金的拉伸强度。在500 Hz频率下处理的样品具有最佳的表面质量，其拉伸强度比TC6合金基底提高了7.4%。机理分析表明，在MAO过程中，等离子体脉冲电子风导致基底颗粒内部各晶面上的晶体缺陷密度增加。在主要的α₂相区域观察到了变形孪晶现象，而在残余的β相中发生了元素偏聚。这些结构和成分的变化增强了涂层-基底界面的韧性，从而提高了处理样品的拉伸强度。

引言

钛合金具有许多显著优点，包括低密度、优异的耐腐蚀性和出色的机械性能，因此被广泛应用于生物医学、航空航天、航空等领域[1]、[2]。然而，它们的应用受到两个主要因素的限制：高温下的较差抗氧化性[3]、[4]以及较低的表面硬度，导致耐磨性不足[5]、[6]。为了解决这些问题，对钛合金进行适当的表面处理以提高耐磨性和高温抗氧化性已被证明是一种有效策略[7]。研究人员使用电弧离子镀层和物理气相沉积等技术在钛合金上制备了硬质涂层，如WC涂层[8]、[9]。尽管取得了这些进展，但这些涂层中仍经常形成微裂纹和孔洞，尤其是在基底与涂层之间的界面处，这些成为裂纹萌生的起点，导致材料失效[10]、[11]。此外，在涂层过程中界面附近产生的残余拉应力也是导致拉伸和疲劳失效的主要因素[12]、[13]。

近年来，微弧氧化（MAO）技术成为表面处理研究中的重要方法[14]、[15]。该技术通过等离子体脉冲在金属基底表面产生火花，引发氧化反应并形成原位陶瓷涂层。冯远宝等人[16]指出，MAO-TiO₂陶瓷相的冶金结合界面可以有效抑制划痕测试中的压痕损伤。冯江等人[17]研究发现，当界面结合状况良好时，MAO陶瓷-金属界面更加致密，耐腐蚀性得到改善。同时，金属基底在界面附近发生了显著的晶粒细化，这得益于MAO过程中瞬时产生的高温和高压。目前，关于MAO处理如何影响基底/涂层界面微观结构机制的研究仍然有限，而界面微观结构的变化往往对涂层样品的机械性能有显著影响。

研究人员研究了MAO样品的拉伸及其他机械性能，结果表明，在MAO涂层生长过程中，涂层-基底界面引入了残余拉应力，这对涂层样品的拉伸性能产生了负面影响[18]。有报告指出，在MAO过程中，通过调整电流密度、施加电压等参数可以控制相结构和表面形态[19] [20]。其他学者发现晶界参与了MAO反应，这影响了薄膜的相结构和表面形态[21]。此外，还有研究提出，在电辅助金属成形过程中电子风效应可以促进原子扩散和微观结构转变，从而改变位错的分布[22] [23]，进而影响材料的可成形性和韧性，进而影响其拉伸及其他机械性能。然而，迄今为止，尚未有公开报道关于MAO过程中等离子体脉冲产生的电子风效应对涂层-基底界面影响机制的研究。

本文在TC6合金基底上制备了MAO涂层，研究了MAO涂层的微观结构对准静态拉伸性能的影响，探讨了MAO处理如何引起基底-涂层界面微观结构变化的机制，并详细分析了有助于提高拉伸性能的界面微观结构特征。文章全面讨论了MAO处理增强拉伸性能的内在机制。

材料

本研究使用的基底材料为TC6合金，其名义组成为Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si（按重量百分比计）。该基底由宝钛集团有限公司采用三重真空消耗电弧熔炼工艺生产。该合金的相变温度为990°C，在单相区域经过多次锻造处理后，再在双相区域进行锻造。

随后在低于相变温度30-40°C的条件下将其锻造成Φ300毫米的棒材。

MAO涂层的微观结构

图1展示了不同电流频率条件下MAO涂层的表面和截面微观结构，以及元素组成、含量和计算出的表面孔隙率。如图1(a)所示，当电流频率为250 Hz时，涂层表面存在许多直径不同的微孔。这些微孔据报道是由微弧放电形成的通道[15]。涂层与基底结合良好，平均

结论

在TC6合金基底上制备了MAO涂层，并系统分析了TC6基底和MAO处理样品的准静态拉伸行为，同时详细检查了涂层-基底界面。基于上述研究，可以得出以下结论：

(1)

MAO涂层主要由Al₂TiO₅和TiO₂组成，且随着电流频率的增加，涂层结构变得更加致密。

(2)

在

作者贡献声明

严汉阳：软件、资源支持。杨忠：指导。何家宇：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写。杨汉明：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写。谢发勤：指导。吴向青：可视化处理、验证。王少青：软件、资源支持、项目管理、方法学设计、实验设计、资金获取、数据分析、概念构思

数据可用性

支持本研究结果的数据可在论文及补充信息中找到。原始数据随论文一并提供。

利益冲突

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