鈦合金具有質量輕、比強度高等優勢從而已廣泛應用於工程領域。然而，摩擦和腐蝕成為實際服役過程中不可避免的問題，造成了大量的能量耗散，機械磨損，甚至結構性破壞。因此，需要製備陶瓷膜層解決上述問題，但由於陶瓷膜層的硬度高極容易引發嚴重的磨粒磨損從而需要引入固體潤滑劑提高其減摩效能。近年來，很多學者透過在微弧氧化陶瓷膜層表面塗敷MoS2或在電解液中直接新增MoS2顆粒製備自潤滑陶瓷膜層，但由於其團聚屬性仍然無法避免MoS2與陶瓷膜層之間的結合性差等問題。現階段迫切需要找到一種表面處理技術，在不影響膜層耐磨性的同時提高膜層的減摩效能及膜基結合效能。
來自長安大學陳永楠教授團隊與浙江大學佔海飛教授團隊聯合設計並在鈦合金表面採用微弧氧化技術原位合成了一種具有梯度結構奈米MoS2/TiO2陶瓷膜層，避免了MoS2的團聚，同時形成非共格介面從而提高了材料的膜基結合強度。相關論文以題為“Controllable in situ fabrication of self-lubricating nanocomposite coating for light alloys”發表在Scripta Materialia。
研究成果來自於長安大學輕合金表面強化研究團隊，該團隊長期從事鋁、鎂和鈦合金等表面微弧氧化、激光表面處理及特種電鍍等技術研究及裝備研製。論文第一作者為長安大學博士生楊澤慧，通訊作者為長安大學陳永楠教授和趙秦陽博士及浙江大學佔海飛教授，合作者還包括長安大學徐義庫教授、張鳳英教授、郝建民教授及西北有色金屬研究院的趙永慶教授等。
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https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114493
本研究在輕合金表面透過微弧氧化技術原位合成了具有梯度結構的MoS2/TiO2奈米複合陶瓷膜層。研究發現具有梯度分佈的膜層具有低摩擦係數(摩擦係數(COF)達到0.14)，其COF遠低於傳統微弧氧化(PEO)膜層(0.55)。這表明梯度MoS2在摩擦過程中然而在滑動剪下作用下，MoS2從非晶態多孔結構中釋放並調整其基面的滑動方向從而維持超低摩擦係數。同時，MoS2和TiO2之間形成的非共格介面具有邊緣釘扎效應促使膜層膜基結合效能顯著提升(例如：MoS2/TiO2膜層的臨界載荷750 N vs. PEO膜層的臨界載荷 400N)。
圖1 (a) 硫源濃度為20g/L所製備的膜層在StageII的HRTEM影象; (b-c) 硫源濃度為30g/L和60g/L膜層在StageII的HRTEM影象; (d-f) 硫源濃度分別為20g/L、30g/L和60g/L的膜層中的StageIII的HRTEM影象。
圖2 (a)硫源濃度為30g/L膜層的HRTEM影象; (b-e) MoS2與TiO2介面對應影象和IFFT影象; (f)奈米壓痕試驗的載荷-位移曲線; (g)膜層的彈性模量和硬度; (h)原位合成奈米粒子非共格介面增強示意圖。
圖3 (a)不同硫源濃度下PEO膜層和原位合成膜層的COF; (b)膜層的磨損量; (c)不同表面處理方法對比; (d)不同膜層的拉伸載荷和位移; (e)透過劃痕試驗獲得的PEO膜層的臨界載荷; (f)不同表面處理的臨界載荷比較。
本研究設計了一種結合原位合成MoS2和微弧氧化工藝的鈦合金表面處理新方法。在鈦合金表面形成了梯度奈米複合膜層，MoS2的自潤滑特性以及MoS2與陶瓷之間的非共格介面使膜層具有優異的摩擦學和膜基結合效能。例如，MoS2/TiO2陶瓷膜層能夠實現約0.14的低摩擦係數。預計此原位微弧氧化工藝可以應用於鋁、鎂合金等輕合金的表面強化處理並廣泛的在工程領域得到應用。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支援。
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