表面活性剂对钛合金复合微弧氧化膜结构与耐磨性能的影响

第36卷2019年第1期2月Vol.36February No.12019表面活性剂对钛合金复合微弧氧化膜结构与耐磨性能的影响奥妮，刘道新，徐星辰，张晓化（西北工业大学，陕西西安710072）摘要：为了在钛合金表面制备耐磨性能良好的复合微弧氧化膜层，研究了4种不同类型的表面活性剂对复合六方氮化硼（hBN ）固体润滑微粒微弧氧化膜层微观结构及其耐磨性能的影响。

结果表明，表面活性剂对复合微弧氧化（MAO ）膜层的微观结构和耐磨性能有明显的影响，阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵降低了复合MAO 膜层中hBN 微粒含量，削弱了膜基结合，因而不利于膜层耐磨性能的改善；非离子型表面活性剂无水乙醇由于挥发性强导致膜层的致密性下降，降低了膜层的耐磨性能；阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠对复合MAO 膜层的结构和耐磨性能影响较小；阴离子型表面活性剂羧甲基纤维素钠则有效改善了hBN 微粒在电解液中的分散性，进而改善其在MAO 膜层中的复合及分布状况，从而明显改进了复合MAO 膜层的耐磨性能。

关键词：复合微弧氧化；表面活性剂；钛合金；微观结构；耐磨性能中图分类号：TG146.23文献标识码：A文章编号：1009－9964（2019）01－013－06Effect of Surfactant on Microstructure and Wear Ｒesistance of CompositeMicro-arc Oxidation Coatings on Titanium AlloyAo Ni ，Liu Daoxin ，Xu Xingchen ，Zhang Xiaohua（Northwestern Polytechnical University ，Xi ’an 710072，China ）Abstract ：The effect of four different types of surfactants on the microstructure and wear resistance of the composite micro-arc oxidation （MAO ）coatings containing hexagonal boron nitride （hBN ）solid lubricating particles were studied in order to get composite micro-arc oxidation coatings with good wear resistance on titanium alloy．The results show that surfactants have a significant effect on the microstructure and wear resistance of the composite micro-arc oxidation coatings．Cationic surfactant cetyl trimethyl ammonium bromide decreases the content of hBN in the coating and weakens the coating /substrate bond strength ，which is not conducive to the improvement of the wear resistance of the coating ；nonionic surfactant absolute ethyl alcohol makes the decline in the density of the coating due to its strong volatility ，thus reducing the wear resistance of the coating ；anionic surfactant sodium dodecyl benzene sulfonate has little effect on the structure and wear resistance of the coating ；anionic surfactant sodium carboxymethyl cellulose is effective in improving the dispersibility of hBN particles in the electrolyte ，thereby improving its complex and uniform distribution in the coating ，thus significantly improving wear resistance of the composite micro-arc oxidation coating．Key words ：composite micro-arc oxidation ；surfactant ；titanium alloy ；microstructure ；wear resistance收稿日期：2017－10－11基金项目：国家自然科学基金资助项目（51171154，51101127，51771155）通信作者：刘道新（1962—），男，教授。

0引言微弧氧化（MAO ）是采用高电压产生微弧放电，从而在钛、铝、镁及其合金表面形成陶瓷层的技术方法［1－2］，这层硬质陶瓷层可显著改善基材的耐磨性能。

然而，由于MAO 过程的放电特点，使得MAO 膜层总是存在一些微孔，这些微孔的存在通常不利于其耐磨性能。

此外，MAO 膜层的摩擦系数一般较高，为改善其耐磨性能需要采取措施降低其摩擦系数。

为此，人们通过在电解液中添加固体微粒DOI:10.13567/ki.issn1009-9964.2019.01.0041436卷的方法来改善MAO 膜层的致密性，而当添加的微粒为润滑材料时则可以降低膜层的摩擦系数。

例如，Ma 等人［3］在铝合金MAO 膜层中引入石墨微粒提高了膜层的耐磨性能；Mu 等人［4］在钛合金MAO 膜层中引入了MoS 2微粒，膜层的摩擦系数由0.8降低至0.12。

然而，要获得性能优异的复合微粒MAO 膜层，改善微粒在MAO 电解液中的分散性尤为重要，在电解液中加入表面活性剂是提高微粒分散性的手段之一。

赵晴等人［5］将经过十二烷基磺酸钠处理的MoS 2微粒加入到MAO 电解液中，获得了具有良好减摩润滑效果的复合MAO 膜层；Gnedenkov 等人［6］在MAO 电解液中加入乙醇来分散ZrO 2和SiO 2微粒。

此外，也有学者研究了表面活性剂对不含微粒的MAO 膜层的影响，如Guo 等人［7］研究了3种不同表面活性剂对镁合金MAO 膜层表面形貌的影响，结果表明这3种表面活性剂均显著降低了MAO 膜层的孔隙率；安茂忠等人［8］在MAO 电解液中加入0.25g /L十二烷基磺酸钠后，膜层的孔隙率从7.46%降至1.37%。

钛合金比强度高、耐腐蚀性能优异、高温力学性能好，因而在航空、航天、化工、医疗等领域得到广泛应用［9］。

然而，钛合金硬度低、导热性能差、摩擦系数大，因而对磨损破坏十分敏感，为此采用MAO 改善钛合金的耐磨性能备受关注［10］。

目前有关表面活性剂对钛合金复合MAO 膜结构与耐磨性能的影响还较少开展，特别是对具有减摩润滑效果的六方氮化硼（hBN ）微粒的相关研究工作更少见。

基于上述背景，本研究选择十六烷基三甲基溴化铵（CTAB ）、无水乙醇（Ethanol ）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS ）和羧甲基纤维素钠（NaCMC ）4种典型表面活性剂，研究其对hBN 微粒在电解液中分散性以及钛合金复合MAO 膜结构与耐磨性能的影响规律，为改善钛合金零部件的表面摩擦学性能提供参考。

1实验实验以Ti-6Al-4V 合金作为MAO 处理的基体，其化学成分（质量分数）为：Al 6.70%，V 4.21%，Fe 0.10%，余量为Ti 。

将Ti-6Al-4V 合金棒材加工成 30mm ˑ3mm 的圆片试样，用240# 800#砂纸逐级打磨，打磨后表面粗糙度Ｒa 为0.4μm 。

在丙酮中超声波清洗10min ，以除去表面油污。

采用MAO-20C 型微弧氧化脉冲电源对Ti-6Al-4V 合金进行MAO 处理。

电解液由20g /L 硅酸钠、6g /L 六偏磷酸钠、2g /L NaOH 和2g /L hBN 微粒（粒径为0.5 1.0μm ）组成。

分别在电解液中添加0.5g /L CTAB 、100mL /L Ethanol 、0.5g /L NaCMC 、0.5g /L SDBS 。

采用控制电流的方式进行MAO 处理，电流密度为5A /dm 2，脉冲电源占空比为10%，频率为1000Hz 。

电解液温度控制在20 25ħ，氧化时间20min 。

为了提高微粒在电解液中的分散性，将配制好的电解液先超声处理15min 再倒入电解槽中。

在MAO 过程中，采用机械搅拌方式连续对槽液进行搅拌。

采用TＲ300型轮廓仪测量MAO 膜层表面粗糙度；采用TT260型涡流测厚仪测量MAO 膜层厚度，每个样测6个点并取平均值；利用JSM-6390型扫描电子显微镜（SEM ）观察MAO 膜的表面形貌和截面形貌。

在常温下利用HT-1000型球盘磨损试验机测定MAO 膜层的耐磨性能。

摩擦副为直径6mm 的GCr15钢球，试验过程中钢球固定不动，钛合金盘试样转动，转速为224r /min 。

施加载荷为2.5N ，磨损轨迹半径为4mm ，摩擦时间为10min 。

用体积磨损率来表征耐磨性能，采用JSM-6390型扫描电子显微镜观察磨损形貌。

2结果与分析2.1电压－时间曲线图1为在含不同表面活性剂的电解液中，制备复合MAO 膜层过程中的电压－时间曲线。

从图1可以看出，复合MAO 电压－时间曲线主要分为2个阶段，第一阶段是MAO 过程的初期阶段，此时为阳极氧化过程，电压随时间呈线性快速增加；当电压持续增加到击穿电压时，进入微弧放电的稳定阶段，此时电压变化幅度很小。

表面活性剂对电压有一定的影响，因此，其对MAO 过程中钛合金试样表面的放电行为有着不可忽视的影响。

与未添加表面活性剂的试样对比可以看到，Ethanol 对稳定阶段放电电压的影响最大，使稳定阶段放电电压提高了约15V ；其次是SDBS 和NaCMC ，均使稳定阶段放电电压提高了约2V ；而CTAB 则导致MAO 稳定阶段放电电压降低约7 9V 。

这可能是由于这些表面活性剂改变了电解液溶质及微粒在阳极界面处的吸附状态而造成的。