中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

钛合金以其优异的综合性能而在诸多领域具有广泛的应用前景，但是其较差的耐磨性能，严重的限制了钛合金在摩擦学中的应用。因此，改善钛合金的摩擦学特性的研究，尤其是利用表面改性技术改善钛合金的表面性能，具有十分重要的研究价值。本论文综合使用表面织构和热氧化技术，从不同的设计角度出发，在钛合金基体表面上制备具有抗磨作用的氧化膜， 并通过优化设计来提高钛合金表面氧化膜的综合性能。同时研究了钛合金的高温氧化行为以及苛刻环境下钛合金表面氧化膜的摩擦学行为。获得的主要结论如下：

1. 采用调Q的脉冲固体Nd:YAG激光器分别对TC11和TC4钛合金表面进行织构化，发现在适当的激光参数下，能够在钛合金表面制备形状规则及尺寸可控的微坑织构。

2. 在TC11合金表面制备具有不同孔径和织构密度的微坑织构，并考察织构面和未织构面在500 °C下的摩擦学特性。研究结果表明，表面微坑能够增加TC11表面与氧气的接触面积，促进了具有高硬度和高承载能力的摩擦层在织构化表面的生成，因此显著的提高了TC11合金的耐磨性能。具有较小孔径(60 μm)或者较高织构密度(ε=40 %)的微坑织构更有助于改善TC11合金在500 °C下的摩擦学特性。

3. 在织构化TC4合金表面制备了一系列具有不同厚度和组成的氧化膜，并研究了其摩擦学性能和磨损机理。研究结果表明，表面织构和热氧化技术的结合可以有效改善钛合金的摩擦学性能。表面织构可以增强氧化膜与TC4基体之间的结合力。经650 °C和25 h热氧化处理的织构化TC4合金具有优异的摩擦学性能，这主要与金红石型的氧化膜具有良好结合力、高硬度(7.73 Gpa)、高的硬度与弹性模量比(0.069)以及高的承载能力有关。

4. 在热氧化条件为650 °C和25 h下，在TC4合金表面制备了具有优异综合性能的氧化膜,并研究了其在液体润滑条件下的摩擦学特性和磨损机理。研究表明，经过热氧化改性的TC4合金，无论在PAO10还是去离子水润滑条件下，都表现出优异的摩擦学性能。这主要与金红石型的氧化膜可以减小粘着磨损、改善TC4表面的润湿性以及提高钛合金的承载能力有关。