钛合金表面织构陶瓷固体润滑复合涂层的制备与摩擦学性能(2)
参考文献 24
1 绪论
1.1 引言
在现代工业中，为了提高生产效率，降低成本，经常采用质轻的高比强钛合金来代替质重的高强钢来制造各种关键性零部件。虽然钛合金经热处理后的抗拉强度高达900—1000MPa，可与高强钢相媲美，但是硬度较低，约为高强钢的2/3（高强钢的硬度为HV500~600），并且摩擦系数较大（0.5—0.7），耐磨损性能差，因此严重限制了钛合金的扩大应用。
针对上述情况，采用等离子电解氧化技术（PEO），来获取氧化物陶瓷层的方法得到了广泛的关注。它是在有色金属表面直接生长耐磨陶瓷氧化层,与基底结合强度高,同时生长的涂层较厚且可控，有效的提高钛合金表面耐磨性。但是，由于大量的润滑剂都堆积在PEO涂层表面，储存在涂层表面自生微孔内的润滑剂非常有限，因此当表面润滑层被磨损掉时，钛合金表面也将很快失去低摩擦性能。
于是，人们又自然的想到了激光表面织构化技术（LST）。激光表面织构化可以改善接触表面的流体动压润滑，并且可以形成较深的具有可优化几何形状和表面密度的固体润滑剂的存储池。将等离子电解氧化技术与激光表面织构化技术结合在一起，在钛合金表面形成由织构化微孔阵列和氧化陶瓷涂层表面微孔构成的多尺度微孔结构，提高表面润滑涂层的结合强度，并增强钛合金表面对润滑剂的储存效果，正日益受到各国学者们的重视。
1.2 钛及钛合金
钛（Titanium）于1791年由格雷戈尔（William Gregor）于英国康沃尔郡发现，并由克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）用希腊神话的泰坦（Titanic）为其命名。钛位于元素周期表中ⅣB族，原子序数22，原子量47.90。钛为银白色的高熔点轻金属，密度为 4.506 g/cm3(20°C)，熔点为1668°C，相转变温度为 882.5°C[1]。（参考文献标的位置）
钛化学性质活泼，钛和氧容易生成一系列稳定的氧化物薄膜，如 TiO2、TiO、Ti3O4、Ti4O7等，主要存在形式为 TiO2，这种氧化膜相当稳定，即使遭到破坏也可以迅速恢复，钛及钛合金的优良的耐蚀性能主要取决于这层稳定的保护膜。与纯钛相比，钛合金的力学性能和耐蚀性能更好。于 1954年在美国成功研制的第一种实用的钛合金 Ti-6Al-4V ，具有良好的耐热性、强度、成形性、耐蚀性和生物相容性，因此成为应用最为广泛的钛合金，应用率占全部钛合金的 75%以上[2]。
钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性，故多用作飞机发动机零件和火箭、导弹结构件。钛合金还可作燃料和氧化剂的储箱以及高压容器。在石油工业上主要作各种容器、反应器、热交换器、蒸馏塔、管道、泵和阀等。钛可用作电极和发电站的冷凝器以及环境污染控制装置。钛镍形状记忆合金在仪器仪表上已广泛应用。在医疗中，钛可作人造骨头和各种器具。钛还是炼钢的脱氧剂和不锈钢以及合金钢的组元。
尽管钛合金优点众多，但同时也具有硬度小，耐磨性能差，抗高温氧化性能差等缺点。这些都在很大程度上制约了钛合金的进一步应用。
1.3 等离子电解氧化
等离子电解氧化（Plasma electrolytic oxidation），又称微弧氧化[3]（Micro arc oxidation，MAO），在等离子电解氧化的过程中，在电化学、热化学以及等离子体化学的共同作用的条件下，基体金属与氧离子、电解质离子发生强烈的化学反应，经历熔融、喷发、结晶、高温相变等过程后，在基体表面发生熔覆和烧结，最终形成陶瓷层。由于形成过程非常复杂，至今在学术界仍没有一个能够被公认并且能够全面描述陶瓷层形成的合理模型，但这并不妨碍等离子电解氧化技术得到越来越广泛的应用。