西南科技大学余家欣教授团队：钛合金表面化学镀镍硼涂层的摩擦学性能CJME论文推荐

  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及其重要的作用。尽管钛合金已经在诸多领域中得到了大量应用，但应用场景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。

  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线 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 Focus Bruker）来测试，扫描步长0.03°，扫描角度为 3～90°。

  （1）化学镀 Ni-B 涂层可明显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）热处理明显地增加了涂层的脆性，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。

  （1）化学镀N-B涂层可提高钛合金基体的硬度和断裂韧性，来提升了钛合金摩擦学性能。

  （2）热处理使得涂层的脆性明显地增加，从而使得涂层的耐磨性相对于沉积态更低。

  钛合金被大范围的应用于武器装备、航空航天和海洋工程领域，但是钛合金摩擦磨损性能较差的问题限制了其性能潜力。本文利用化学镀技术制备了N-B多元合金涂层，提高了钛合金的摩擦磨损性能，并发现热处理会降低涂层的韧性，以此来降低涂层的耐磨性。本文的工作为钛合金在高磨损环境的应用提供了一种可能的解决方案，将来进一步解决热处理后涂层的脆性问题，并提高了涂层的耐磨性。

  余家欣（本文通讯作者），西南科技大学制造科学与工程学院院长，二级教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”青年学者，四川省自然科学基金创新研究群体项目带头人，四川省“天府万人计划”科技菁英，美国耶鲁大学访问学者。中国机械工程学会极端制造分会委员、中国机械工程学会摩擦学分会理事、四川省机械工程学会摩擦学专委会副主任委员。主要是做摩擦学、极端制造、超精密加工基础、表面界面技术等领域的科学研究与应用开发工作。近年来主持包括国家自然科学基金、工信部高水平质量的发展专项、军委科技委国防科学技术基础加强计划项目在内的纵横向课题30余项；以第一/通讯作者在Communications Materials (Nature Publication)，ACS Applied Material & Interfaces，Journal of Materials Science & Technology，Friction，Applied Physics Letters等期刊发表论文116篇，其中SCI检索84篇；申请并授权国家发明专利21项；获2022年教育部自然科学奖一等奖（排名第七），2020年四川省科学技术进步二等奖（排名第一）。

  团队致力于微观和宏观的表/界面科学相关的应用基础研究，具体研究方向为（1）超精密加工；（2）高性能机械润滑防护与表面工程；（3）表界面微流体控制；（4）玻璃表界面科学与技术；（5）纳米摩擦学。

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