钛合金表面化学镀镍硼涂层的摩擦学性能研究
钛合金表面化学镀镍硼涂层的摩擦学性能研究
钛合金凭借其高强度重量比和优异的耐蚀性，在生物医学、船舶设备、航空航天和设备制造等领域有着广泛的应用。然而，较差的摩擦学性能限制了其应用范围。本文研究了在钛合金表面化学镀镍硼涂层的摩擦学性能，通过实验揭示了涂层在摩擦磨损条件下的塑性变形机制和磨损机理，为筛选适用于钛合金耐磨损涂层的化学镀工艺提供了理论依据。
研究背景及目的
钛合金凭借自身材料优异的物理/化学特性，如高强度重量比，耐蚀性好等优点，在生物医学，船舶设备，航空航天和设备制造等领域有着大量的应用并发挥着重要作用。尽管钛合金已经在诸多领域中得到了大量应用，但应用范围却仍然受到较差的摩擦学性能的限制。
本论文的目的是在钛合金表面实现化学镀多元合金涂层的制备，揭示涂层在摩擦磨损条件下的塑性变形机制和磨损机理，从而筛选适用于钛合金耐磨损涂层的化学镀工艺。
实验方法
本文Ni-B涂层的酸洗刻蚀是将钛合金样品浸入在1（氢氟酸）：3（盐酸）的混合酸性溶液中刻蚀2-5分钟。表面活化是将样品浸入常温的氢化溶液中 65分钟。化学镀采用硝酸铅作为稳定剂并调节了各组合物的浓度配比，将氢氧化钠溶液的 pH 值调节至12以上，化学镀分两次沉积，即在第一次沉积 2小时后，再次使用全新的镀液沉积 2 小时。热处理是将涂覆有涂层的钛合金样品置于真空管式炉（GSL-1500X-50）中加热至350 ℃并保温 3 小时，自然冷却至室温。
摩擦试验方法借助Rtec-MFT3000 型摩擦磨损试验机，采用直线往复的摩擦方式对涂层和钛合金基体的滑动磨损性能进行了研究。滑动磨损选用直径为 4 mm 的氧化铝陶瓷球作为对摩副，样品作为盘。滑动距离设置为 3 mm，滑动速度为 2 mm/s，施加载荷为 10N，磨损实验总时长为 60 min。而微动磨损是用直径为 9 mm 的氧化铝小球作为对摩副，位移距离为 25 μm，频率为 60 Hz，施加载荷为60 N，磨损总时长为 20 min。
涂层的磨损形貌表征采用扫描电子显微镜（SEM, EVO18, 蔡司）进行观察。热处理前后涂层的结构表征采用X 射线衍射仪（XRD, D8 Focus Bruker）进行测试，扫描步长0.03°，扫描角度为 3～90°。
图1 在 TC4 钛合金上镀 Ni-B 涂层之前的预处理流程图
结果
（1）化学镀 Ni-B 涂层可显著提升钛合金基体的耐磨损性能。相同的磨损条件下涂层可降低钛合金约 96.4 %的磨损体积，这主要归因于化学镀Ni-B 涂层后的硬度提升，使得钛合金粘着磨损为主的磨损方式转变为了磨粒磨损的磨损方式。
（2）热处理工艺提高了Ni-B 涂层的硬度。空气条件下的热处理将涂层硬度从沉积态的648HV提升至热处理后的951HV，氮气条件下的热处理将涂层硬度从沉积态的648HV提升至热处理后的1078HV，硬度提升背后的物理本质是沉积态涂层的无序非晶结构在热作用下发生晶化和高硬度镍硼硬质相的析出。
（3）热处理显著增加了涂层的脆性，从而使得热处理后的涂层在往复磨损作用下涂层难以通过塑性变形来释放摩擦剪切应力，主要以裂纹萌生和扩展的方式承载磨损应力，导致涂层材料的断裂和脱落，从而使得涂层在热处理后表现为更低的耐磨性。
图2 化学镀 Ni-B 镀层的原始镀层以及在空气和氮气气氛中热处理的 Ni-B 镀层的 XRD 图谱
图3 （a）TC4 钛合金基底表面、（b）原始化学镀 Ni-B 镀层表面、（c）空气处理的 Ni-B 镀层表面、（d）氮气处理的 Ni-B 镀层表面的 SEM 图像以及（e）用 2％硝酸酒精溶液蚀刻后的原始化学镀 Ni-B 镀层横截面的 SEM 图像
结论
（1）化学镀N-B涂层可提高钛合金基体的硬度和断裂韧性，从而提高了钛合金摩擦学性能。
（2）热处理使得涂层的脆性显著增加，从而使得涂层的耐磨性相对于沉积态更低。