石墨烯基涂层提高了Ti合金的耐磨性和耐腐蚀性

研究人员将石墨烯添加到电解质中以制造微弧氧化涂层，以改善钛合金的耐腐蚀性和耐磨性，正如发表在金属杂志上的最新文章中报道的那样。

研究：石墨烯对钛合金微弧氧化涂层耐磨性和耐腐蚀性的影响.图片来源：RHJPhtoandilustration/Shutterstock.com

钛合金简介

钛合金相对较轻，其合金对大多数氧化，中和和受阻还原环境具有极强的抵抗力。

它也非常耐用。由于其重量轻，拉伸刚度高，广泛应用于飞机，机械，汽车，石化等领域。

然而，钛合金并不完美，并且具有低耐磨性和导热性。表面处理通常用于改善钛合金的特性。

MAO涂层的厚度和粗糙度。© Zhang， R. et al.， （2022）

微弧氧化

微弧氧化（MAO）是一种在镁，铝和钛表面上精确生长瓷涂层的技术。MAO产生与金属紧密结合的氧化层，并具有优异的耐磨，侵蚀和电磁绝缘性能。

电解质浓度在 MAO 机制中至关重要。微弧熔化基底的成分，然后由电解质粘合。

电解质的电导率和涂层的含量在整个过程中被改变，这会影响涂层的有效性。因此，通过掺入颗粒（例如ZrO）来创建陶瓷涂层₂和石墨烯）进入电解质，以增加涂层的密度，硬度，腐蚀和疲劳强度。

石墨烯的重要性

为了提高其韧性和结构质量，石墨烯被组合形成复合材料。

石墨烯用于航空，纳米结构工业以及电容器和铁电技术，而氧化石墨烯也被用作飞机汽油中的成分，以更好地燃烧和更大的发电量。

石墨烯已被证明可用于其他金属的微弧氧化。然而，它很少被用作钛合金微弧加工中的添加剂，特别是Ti-5Al-1V-1Sn-1Zr-0.8Mo合金。

在这项研究中，石墨烯被引入电解质中，并探讨了其对涂层形状，耐磨性和耐腐蚀性的影响。

MAO涂层的表面形貌（a）S0;（b） S1;（c） S2;（d） S3;（e） S4.© Zhang， R. et al.， （2022）

研究成果

电解液中没有石墨烯的情况下，覆盖物的粗糙度为56.76 m（Ra），随着石墨烯的引入，粗糙度大大降低。

在0.05 g/L石墨烯补充剂下，粗糙度最小，Ra为31.81μm。研究发现，MAO层的密度随着石墨浓度的增长而增加，微弧响应的严重程度主要与MAO涂层的光滑度有关。随着响应强度的降低和涂层粗糙度的降低，MAO的程度变得更加温和。

石墨烯对表面粗糙度的影响也通过3D形态学研究得到了验证。电解液中石墨烯含量为0.05 g/L，石墨烯含量为0.05 g/L，薄膜界面更加平滑，连续扫描结果表明涂层的高度变化减小。

合金的表面形态

形态学揭示了表层上的大直径微孔和裂缝，这些微孔和裂缝是在溶液中没有使用石墨烯的情况下形成的。微裂纹是由快速凝固后的熔融金属收缩产生的。由于含有石墨烯，溶液的电导率得到改善。

MAO涂层的截面形貌（a）S0;（b） S1;（c） S2;（d） S3;（e） S4.© Zhang， R. et al.， （2022）

孔隙度差研究

使用不含石墨烯的溶液制成的涂层的孔隙率为4.386%。电解质中石墨烯含量为0.10 g/L，S2的孔隙率最低，为3.188%。孔隙率的降低提高了涂层的耐腐蚀性。这种均匀性是通过加入石墨烯实现的，这导致在整个MAO过程中产生不同直径的孔和更少的裂缝。

耐磨性和耐腐蚀性

在前100次旋转期间磨损最大，随后在第100-250次旋转期间磨损下降。

在由装载动作引起的磨损的早期阶段，接触对彼此保持联系。经过100次磨损，薄表面和高微凸结构剥落，摩擦副之间的接触面上升，导致质量损失稳定。

0.10 g/L石墨烯涂层具有最大的耐磨性，250转后的质量损失仅为15.8 mg。此外，在盐水喷涂腐蚀性环境中，MAO涂层表现出很高的耐腐蚀性。132小时后，涂层表面形成明显的黑色点蚀，最明显的是电弧放电微孔和试样边缘。

最后，研究了石墨烯电解质衍生MAO涂层的形貌和电阻，确定石墨烯的最佳添加量为0.10 g/L。

参考

Zhang, R. et al., (2022) Effects of Graphene on the Wear and Corrosion Resistance of Micro-Arc Oxidation Coating on a Titanium Alloy. Metals, 12(1). 70. Available at: https://www.mdpi.com/2075-4701/12/1/70