表面處理是延長輕合金服役壽命和拓寬應(yīng)用范圍的必要手段。近期，來自長安大學(xué)的研究人員針對(duì)鎂合金和鈦合金進(jìn)行等離子電解氧化表面處理，深入研究了其陶瓷復(fù)合膜層的增韌、耐磨、耐腐蝕以及抑菌等性能，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際著名期刊：Materials Research Letters，Ceramics International，Materials & Design，Tribology International，Chemical Engineering Journal，Surface and Coatings Technology。論文第一作者分別為博士研究生張震、楊澤慧、毛雅梅和碩士研究生李歡、石磊、鄒海燕，論文通訊作者包括長安大學(xué)陳永楠教授、趙秦陽和姜超平副教授、浙江大學(xué)占海飛教授、西安理工大學(xué)湯玉斐教授、西部材料有限公司康嚴(yán)和賽福斯高廣睿教授級(jí)高工、西北有色金屬研究院王少鵬教授級(jí)高工，合作者包括長安大學(xué)李堯副教授、張勇副教授、徐義庫教授、張鳳英教授、邢亞哲教授、西北工業(yè)大學(xué)花珂教授和西北有色金屬研究院李宏戰(zhàn)教授級(jí)高工等。

1. 雙滑移系半共格界面位錯(cuò)促進(jìn)納米復(fù)合膜層裂紋自愈

原文鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2348661

采用等離子電解氧化(PEO)工藝獲得了原位Y2O3穩(wěn)定增強(qiáng)的t-ZrO2 (YSTZ)/MgO納米復(fù)合膜層，并提出了在YSTZ/MgO納米復(fù)合膜層中激活雙滑移系統(tǒng)半相干界面位錯(cuò)以實(shí)現(xiàn)裂紋自愈的思路。高位錯(cuò)密度伴隨著{101}<101> YSTZ滑移和{111}<101> MgO滑移體系協(xié)調(diào)了界面變形，從而阻止裂紋萌生和擴(kuò)展。這種裂紋擴(kuò)展路徑可以吸收更多的斷裂能，為裂紋偏轉(zhuǎn)和橋接提供更多機(jī)會(huì)，從而停止以及閉合裂紋，實(shí)現(xiàn)裂紋自愈。

圖1  YSTZ/MgO膜層裂紋自修復(fù)機(jī)制

2. 特殊取向的半共格界面晶格畸變激活持續(xù)位錯(cuò)釘扎增強(qiáng)納米復(fù)合膜層韌性

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.01.105

離子晶體陶瓷由于較強(qiáng)的離子鍵力導(dǎo)致塑性變形能力差，易在晶間產(chǎn)生脆性裂紋。通過PEO工藝成功制備了由釔穩(wěn)定的四方氧化鋯(YSTZ)和MgO組成的具有優(yōu)異韌性的納米復(fù)合膜層。研究結(jié)果表明：Zr/Y-O結(jié)合強(qiáng)度的增強(qiáng)提高了離子晶體的界面強(qiáng)度，而晶格畸變激活了(101)YSTZ//(111) MgO半共格異質(zhì)界面處的連續(xù)位錯(cuò)釘扎，有效地阻礙了膜層的裂紋擴(kuò)展，膜層韌性提高42%。這些發(fā)現(xiàn)為提高陶瓷韌性的設(shè)計(jì)策略提供了有價(jià)值的思路。

圖2 YSTZ/MgO納米復(fù)合膜層的增韌

3. 低溫晶粒尺寸對(duì) ZrO2/TiO2復(fù)合材料相穩(wěn)定性的影響

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112741

通過在PEO過程中調(diào)整t-ZrO2晶粒尺寸，實(shí)現(xiàn)了ZrO2/TiO2陶瓷膜層相變?cè)鲰g與低溫(293.15 K~203.15 K)之間的平衡。基于ZrO2/TiO2陶瓷膜層的應(yīng)變能和化學(xué)自由能，發(fā)現(xiàn)了t-ZrO2晶粒尺寸在低于20 nm時(shí)，與相變溫度(Ms)的負(fù)相關(guān)關(guān)系會(huì)被破壞。本研究闡明了尺寸效應(yīng)對(duì)Ms的影響，為陶瓷膜層的低溫相變?cè)鲰g提供了參考。

圖3 尺寸效應(yīng)對(duì)t-ZrO2低溫相變?cè)鲰g的影響

4. 揭示不同剪切應(yīng)力下原位合成MoS2-S納米復(fù)合膜層的減摩機(jī)理

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109587

通過分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬方法，深入探討了MoS2-S納米復(fù)合膜層在減少鈦合金磨損中的作用機(jī)理。揭示了MoS2-S納米復(fù)合膜層在減少鈦合金摩擦和磨損中的有效機(jī)制。原位合成的MoS2通過響應(yīng)切向力來調(diào)整層間距離，促進(jìn)層間滑動(dòng)，有效降低和穩(wěn)定摩擦系數(shù)。特別是在銷盤磨損條件下，旋轉(zhuǎn)應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變和位錯(cuò)積累增強(qiáng)了膜層的減摩效果。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于鈦合金等輕合金的膜層技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。

圖4  MoS2-S納米復(fù)合膜層磨損性能及往復(fù)磨損條件下的應(yīng)變和位錯(cuò)分布

5. 氧化鋁納米粒子對(duì) TC4合金PEO膜層耐磨性的影響

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.02.332

從PEO膜層硬度提升角度設(shè)計(jì)耐磨膜層，通過Al2O3納米粒子的加入促進(jìn) PEO 膜層中 Al2TiO5 相的形成，而且大部分納米粒子都嵌入到涂層中，從而降低膜層孔隙率以及增加膜層顯微硬度。由于膜層具有較高的顯微硬度，其摩擦性能得到顯著改善，摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量與同類膜層相比明顯降低，該設(shè)計(jì)具有工藝簡單、性能提升明顯等優(yōu)勢。

圖5 Al2O3納米顆粒膜層耐磨損性能

6. 增材制造調(diào)控生物功能鈦合金析出相取向制備高性能陶瓷膜層

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151325

依據(jù)Ti2Cu-(110)取向的原子密排程度低于Ti2Cu-(103)取向，通過增材制造技術(shù)(AM)制備了Ti2Cu析出相以(110)取向?yàn)橹鞯腡i-Cu合金。由于(110)取向原子密排程度低使得AM-Ti-Cu合金功函數(shù)低，因此AM-Ti-Cu合金的耐蝕性差，促進(jìn)了PEO過程中銅離子的釋放。與傳統(tǒng)Ti2Cu-(103)取向的Ti-Cu合金相比，AM-Ti-Cu合金的低耐腐蝕能力促進(jìn)了Cu價(jià)電子在PEO過程中從4s能級(jí)逃逸，從而形成含量較高的納米氧化銅(CuO)。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了AM工藝中調(diào)節(jié)析出相取向的優(yōu)勢，創(chuàng)新性的從合金設(shè)計(jì)角度提供了有效制備功能性PEO膜層的方法。

圖6 不同取向Ti2Cu離子釋放能力差異

7. 基于功函數(shù)的PEO過程中Cu離子的釋放和CuO/Cu2O的形成研究

原文鏈接： http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2023.130344

研究鈦-銅合金在PEO過程中Cu離子釋放的情況，提出了一種新的方法來提高金屬的抗腐蝕能力。研究發(fā)現(xiàn)，低功函數(shù)的L-Ti2Cu會(huì)更早地釋放Cu+。這些Cu+離子的釋放增加了Cu2O的形成，并隨著電壓的升高進(jìn)一步氧化為CuO，從而增加了CuO的相對(duì)含量。這種CuO相對(duì)含量的增加有助于提高抗菌活性和摩擦腐蝕性能，因?yàn)楦吆康腃uO具有明顯的應(yīng)力響應(yīng)和潤滑效果。這項(xiàng)研究為PEO氧化溶解過程中Ti-14Cu合金金屬離子釋放和相應(yīng)金屬氧化物的形成提供了理論。

圖7 基于不同形貌Ti2Cu相的功函數(shù)差異與Cu+離子釋放關(guān)系