SiC增强和PDA/PTFE封孔的PEO涂层提高TA15合金的耐磨和耐腐蚀性能

《Smart Materials in Manufacturing》：Improved wear and corrosion resistance of TA15 alloy by SiC-reinforced and PDA/PTFE-sealed PEO coatings

　　

在海洋环境中，盐雾暴露、高湿度和机械磨损等因素会加速钛合金的退化并恶化其表面性能。本研究系统调查了将碳化硅（SiC）颗粒掺入等离子体电解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation, PEO）涂层以及使用聚多巴胺（Polydopamine, PDA）和聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）进行协同封孔处理对钛合金涂层耐腐蚀和耐磨性能的影响。结果表明，SiC的添加提高了涂层的硬度和耐磨性，但对耐腐蚀性的影响有限。与原始涂层0.62相比，SiC增强涂层的摩擦系数降低至0.41。经过PDA/PTFE封孔后，摩擦系数进一步降至0.18，并在长时间滑动中保持稳定。相对于TA15基体，SiC-PDA-PTFE涂层的磨损率大幅降低，而相对于0SiC涂层降低约76%。结合PDA促进的强界面粘附和PTFE的疏水特性，SiC-PDA-PTFE涂层表现出降低的孔隙率和改善的耐腐蚀性。SiC增强和PDA/PTFE封孔的结合显著提高了PEO涂层的耐腐蚀和耐磨性能，为钛合金在盐雾暴露和机械磨损条件下的表面保护提供了一种可行策略。

论文解读：

在海洋工程和航空航天领域，钛合金如TA15（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，质量分数）因其高比强度和良好的通用耐腐蚀性而不可或缺。然而，在涉及盐雾介质、高湿度和机械磨损的服务环境中，其表面性能仍可能因磨损和腐蚀的联合作用而受限，导致材料加速损失，严重威胁舰船结构、深海钻井平台和海洋勘探设备等关键部件的可靠性。因此，开发同时提高耐磨性和腐蚀防护的表面改性策略至关重要。等离子体电解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation, PEO）作为一种高效表面处理技术，因其环保、低成本且适用于复杂形状部件而备受关注，但PEO涂层仍面临耐磨性不足和减摩性能有限的挑战，限制了其在关键摩擦副中的应用。掺入陶瓷颗粒如碳化硅（SiC）是强化PEO涂层的常用方法，能显著提高硬度和耐磨性，但对耐腐蚀性改善有限。封孔处理如聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）可进一步提高耐腐蚀性，但PTFE的化学惰性导致其与PEO涂层的界面结合强度不足。聚多巴胺（Polydopamine, PDA）作为一种仿生粘附中间层，可有效增强界面结合。本研究的创新在于将SiC增强与PDA/PTFE协同封孔整合于PEO涂层系统。

研究人员在TA15合金基体上制备了四种涂层：未封孔的PEO涂层（0SiC）、SiC颗粒增强PEO涂层（4SiC）、仅PTFE封孔的4SiC涂层（SiC-PTFE）以及PDA/PTFE协同封孔的4SiC涂层（SiC-PDA-PTFE）。通过微观结构表征（SEM、TEM、XRD、FTIR）、力学性能测试（纳米压痕、划痕、摩擦磨损）和电化学测试（动电位极化、电化学阻抗谱）系统研究了SiC掺入和PDA/PTFE封孔对涂层性能的影响。结果表明，SiC-PDA-PTFE涂层综合性能最优，其摩擦系数低至0.18并保持稳定，磨损率比0SiC涂层降低约76%，自腐蚀电位提高至-0.16 V，腐蚀电流密度降至0.09 μA/cm²，且经168小时浸泡后仍保持高阻抗。该工作为海洋环境下钛合金表面防护提供了可行策略，论文发表在《Smart Materials in Manufacturing》。

关键技术方法：采用等离子体电解氧化（PEO）技术在TA15钛合金基体上原位形成陶瓷涂层；通过在电解液中添加平均粒径约1 μm的SiC颗粒及阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）制备SiC增强涂层（4SiC）；随后利用多巴胺在弱碱性（pH 8.5）条件下自聚合形成PDA中间层（37°C，12 h），再浸渍稀释至10 wt%的PTFE纳米颗粒（0.05-0.5 μm）水分散液，经220°C热处理固化实现协同封孔。使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）表征微观结构，X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析相组成；划痕测试评价界面结合强度；接触角测量评估润湿性；摩擦磨损测试采用Si₃N₄球在5 N载荷下进行；电化学测试在3.5 wt% NaCl溶液中进行。

研究结果：

表面形貌和微观结构表征：通过SEM观察和ImageJ软件定量分析，发现0SiC、4SiC、SiC-PTFE和SiC-PDA-PTFE涂层的孔隙率分别为14.75%、13.35%、3.74%和2.60%。SiC的掺入细化了孔径但不显著降低孔隙率，而封孔后涂层表面无大孔和裂纹，形成连续致密的纳米覆盖层。TEM和XRD证实SiC颗粒均匀分布在非晶SiO₂基体中，且SiC-PDA-PTFE涂层显示PTFE的特征衍射峰。FTIR分析确认了PDA中-NH₂和C-H基团以及PTFE中-CF₂的特征吸收峰。

粘附性和润湿性：划痕测试显示，SiC-PTFE涂层的临界载荷为3.33 N，而SiC-PDA-PTFE涂层显著提高至7.67 N，表明PDA中间层有效增强了PTFE与PEO涂层的界面结合。接触角测量表明，未封孔涂层呈亲水性（0SiC：36.45°，4SiC：33.23°），封孔后呈疏水性（SiC-PTFE：121.53°，SiC-PDA-PTFE：123.59°），疏水性有利于阻挡腐蚀介质。

摩擦学行为：摩擦系数（COF）曲线显示，TA15基体COF高且波动大；0SiC涂层COF未降低；4SiC涂层COF降至0.41但仍有波动；SiC-PTFE和SiC-PDA-PTFE涂层COF低且稳定，平均值分别为0.15和0.18。纳米压痕硬度：4SiC最高（6.47 GPa），封孔后因软质PTFE相加入而降低（SiC-PTFE：3.96 GPa，SiC-PDA-PTFE：3.71 GPa）。磨损率计算：TA15、0SiC、4SiC、SiC-PTFE和SiC-PDA-PTFE分别为6.89×10^-4、3.06×10^-4、1.05×10^-4、9.47×10^-5和7.28×10^-5 mm³N^-1m^-1。3D磨损形貌显示SiC-PDA-PTFE磨痕最浅最均匀。EDS分析表明，未封孔涂层磨损机制为粘着磨损，封孔涂层中PTFE转移膜有效缓解磨损，且SiC-PDA-PTFE保留更多PTFE。

腐蚀行为：动电位极化曲线显示，SiC-PDA-PTFE涂层具有最正的自腐蚀电位（E_corr = -0.16 V）和最小的腐蚀电流密度（I_corr = 0.09 μA/cm²）。电化学阻抗谱（EIS）经12 h和168 h浸泡后，SiC-PDA-PTFE始终展示最大的容抗弧半径和最高的低频阻抗模量（10⁵ Ω·cm²量级），等效电路拟合显示其电荷转移电阻R_ct最高（12 h时为1.60×10⁶ Ω·cm²）。耐腐蚀性排序为：SiC-PDA-PTFE > SiC-PTFE > 4SiC > 0SiC > TA15。

讨论部分总结了形成机制与协同作用。研究人员分析了PEO过程中SiC颗粒的嵌入与烧结机制：SiC在高温等离子体环境中部分氧化生成非晶SiO₂，并被包裹在涂层中，形成增强相。PDA通过儿茶酚和胺基与TiO₂和SiO₂表面形成氢键和配位键，作为强粘附中间层；PTFE纳米颗粒通过范德华力和氢键吸附于PDA层，经热处理后软化并进一步填充孔隙，实现致密封孔。耐磨机制方面，SiC颗粒提高涂层承载能力和硬度，抑制塑性变形和裂纹扩展；PDA/PTFE封孔层在滑动过程中形成低剪切强度的润滑转移膜，降低摩擦系数并稳定摩擦过程。PDA增强的界面结合使PTFE更稳定地保留在磨损区域，确保润滑耐久性。耐腐蚀机制方面，PTFE的疏水性和化学惰性阻止腐蚀液润湿和渗透，同时封孔封闭了PEO涂层中的微孔和微裂纹，切断腐蚀路径；PDA增强了封孔层的稳定性，使涂层在长期浸泡后仍保持较高阻抗。

研究结论翻译：在本研究中，在TA15合金上制备了四种涂层：未封孔的PEO涂层，包括0SiC和SiC增强涂层（4SiC）；以及封孔的PEO涂层，具体为PTFE封孔（SiC-PTFE）和协同PDA/PTFE封孔（SiC-PDA-PTFE）。主要结论总结如下：(1) 与未增强的PEO涂层相比，SiC颗粒的掺入细化了孔径并提高了涂层致密性。封孔处理进一步降低了孔隙率，生成了连续致密的保护层。(2) 4SiC涂层由于硬质SiC颗粒的增强作用表现出更高的硬度和改善的耐磨性。SiC-PDA-PTFE涂层得益于PDA界面粘附和PTFE润滑的协同效应，实现了最低的摩擦系数和磨损率。(3) 电化学测试表明耐腐蚀性顺序为：SiC-PDA-PTFE > SiC-PTFE > 4SiC > 0SiC > TA15。PDA/PTFE封孔涂层的最佳性能归因于其疏水表面、有效的孔密封和强界面粘附，有效阻碍了电解液渗透，提高了在海洋环境中的腐蚀防护。总之，SiC增强和PDA/PTFE封孔的组合策略为设计同时提高耐腐蚀和耐磨性的PEO涂层提供了可行途径，该涂层系统在海洋相关应用中显示出钛合金表面保护的潜力。