鎂合金密度小，強度高，彈性模量大，承受沖擊載荷能力強，在航空、航天、運輸、化工、火箭等工業(yè)領域已得到一定應用。但是，鎂合金的耐磨性和耐蝕性較差，經常需要通過表面處理進行強化。等離子電解氧化（PEO）是制備鎂合金保護性涂層的主要方法之一，隨著工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)有涂層的性能限制了鎂合金的進一步應用。

來自俄羅斯科學研究院和俄羅斯遠東聯(lián)邦大學聯(lián)合進行的一項最新研究表明，將TiN納米顆粒摻入到PEO涂層中可顯著改善鎂合金表面的機械性能。含有TiN納米顆粒的PEO涂層耐磨性是基礎PEO涂層的2.2倍。該項研究將擴展鎂合金在航空，汽車，高科技產品和設備的開發(fā)等行業(yè)中的應用。相關論文以題為“Hard wearproof PEO-coatings formed on Mg alloy using TiN nanoparticles”于2月15日發(fā)表在Applied Surface Science。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144062

等離子電解氧化（PEO）可以在不進行徹底表面處理的情況下，在金屬和合金上獲得具有高附著力的防腐，耐磨的保護性PEO涂層。作者應用該方法并在電解質中加入TiN納米顆粒，最終在MA8鎂合金板上制備出含有納米顆粒的PEO涂層。討論了不同納米顆粒濃度對涂層性能的影響。

研究發(fā)現(xiàn)TiN納米顆粒的高導電率導致初始工藝階段的陽極電壓下降，陰極電流增加。制備過程中一部分TiN顆粒會發(fā)生化學反應，在涂層上層發(fā)生氧化并生成TiOxNy和TiO2，另一部分仍以TiN形式均勻分布于涂層下層和孔中。涂層中的元素分布取決于粒子結合到涂層的兩個階段，第一階段為TiN因陽極的電泳作用被吸收；第二階段為發(fā)生等離子火花和電弧放電觸發(fā)的化學反應，所以生成的氧化物主要存在于涂層的上層。

圖1 含3 g/l TiN納米粒子的電解質中形成的PEO涂層的XPS光譜

圖2 PEO涂層的形成過程示意圖

對比發(fā)現(xiàn)不同TiN的含量會引起涂層表面的形貌差異。納米顆粒濃度的增加導致涂層平均孔徑減小，當TiN濃度在2 g/l以上時，涂層的表面粗糙度明顯增加，這是由于納米顆粒進入涂層的孔中引起的。通過對涂層的性能測試可以發(fā)現(xiàn)，含納米顆粒的涂層維氏硬度值高達4.5Gpa，遠高于無納米顆粒涂層的硬度（2.1±0.3 GPa）。當納米顆粒濃度為3 g/l時，涂層耐磨性最高，4 g/l時耐磨性出現(xiàn)下降。該涂層也具有較高的防腐性能，在最低頻率下測得的阻抗模量值比沒有涂層的MA8鎂合金的數值高兩個數量級。

圖3在不同的電解質中獲得的涂層的3D表面形貌

多項研究表明在含有其他納米顆粒的電解質中制備PEO涂層，也會發(fā)生本研究類似的形成過程，但基礎電解質組成和顆粒特性（尺寸，熔點和化學穩(wěn)定性）的差異，納米顆粒摻入涂層的機理可能會完全不同。

綜上所述，TiN納米顆粒已成功地摻入在MA8鎂合金上形成的PEO層中，含納米顆粒的涂層硬度和耐磨性達到無納米顆粒涂層的2倍并具有較高的抗腐蝕性能。這項研究為以后含納米顆粒PEO涂層的研究提供了導向，擴展了鎂合金的應用領域，尤其應用在需要防止機械損傷和抗腐蝕的行業(yè)時。