表面处理是延长轻合金服役寿命和拓宽应用范围的必要手段。近期，来自长安大学的研究人员针对镁合金和钛合金进行等离子电解氧化表面处理，深入研究了其陶瓷复合膜层的增韧、耐磨、耐腐蚀以及抑菌等性能，相关研究成果发表在国际著名期刊：Materials Research Letters，Ceramics International，Materials & Design，Tribology International，Chemical Engineering Journal，Surface and Coatings Technology。论文第一作者分别为博士研究生张震、杨泽慧、毛雅梅和硕士研究生李欢、石磊、邹海燕，论文通讯作者包括长安大学陈永楠教授、赵秦阳和姜超平副教授、浙江大学占海飞教授、西安理工大学汤玉斐教授、西部材料有限公司康严和赛福斯高广睿教授级高工、西北有色金属研究院王少鹏教授级高工，合作者包括长安大学李尧副教授、张勇副教授、徐义库教授、张凤英教授、邢亚哲教授、西北工业大学花珂教授和西北有色金属研究院李宏战教授级高工等。

1. 双滑移系半共格界面位错促进纳米复合膜层裂纹自愈

原文链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2348661

采用等离子电解氧化(PEO)工艺获得了原位Y2O3稳定增强的t-ZrO2 (YSTZ)/MgO纳米复合膜层，并提出了在YSTZ/MgO纳米复合膜层中激活双滑移系统半相干界面位错以实现裂纹自愈的思路。高位错密度伴随着{101}<101> YSTZ滑移和{111}<101> MgO滑移体系协调了界面变形，从而阻止裂纹萌生和扩展。这种裂纹扩展路径可以吸收更多的断裂能，为裂纹偏转和桥接提供更多机会，从而停止以及闭合裂纹，实现裂纹自愈。

图1  YSTZ/MgO膜层裂纹自修复机制

2. 特殊取向的半共格界面晶格畸变激活持续位错钉扎增强纳米复合膜层韧性

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.01.105

离子晶体陶瓷由于较强的离子键力导致塑性变形能力差，易在晶间产生脆性裂纹。通过PEO工艺成功制备了由钇稳定的四方氧化锆(YSTZ)和MgO组成的具有优异韧性的纳米复合膜层。研究结果表明：Zr/Y-O结合强度的增强提高了离子晶体的界面强度，而晶格畸变激活了(101)YSTZ//(111) MgO半共格异质界面处的连续位错钉扎，有效地阻碍了膜层的裂纹扩展，膜层韧性提高42%。这些发现为提高陶瓷韧性的设计策略提供了有价值的思路。

图2 YSTZ/MgO纳米复合膜层的增韧

3. 低温晶粒尺寸对 ZrO2/TiO2复合材料相稳定性的影响

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112741

通过在PEO过程中调整t-ZrO2晶粒尺寸，实现了ZrO2/TiO2陶瓷膜层相变增韧与低温(293.15 K~203.15 K)之间的平衡。基于ZrO2/TiO2陶瓷膜层的应变能和化学自由能，发现了t-ZrO2晶粒尺寸在低于20 nm时，与相变温度(Ms)的负相关关系会被破坏。本研究阐明了尺寸效应对Ms的影响，为陶瓷膜层的低温相变增韧提供了参考。

图3 尺寸效应对t-ZrO2低温相变增韧的影响

4. 揭示不同剪切应力下原位合成MoS2-S纳米复合膜层的减摩机理

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109587

通过分子动力学（MD）模拟方法，深入探讨了MoS2-S纳米复合膜层在减少钛合金磨损中的作用机理。揭示了MoS2-S纳米复合膜层在减少钛合金摩擦和磨损中的有效机制。原位合成的MoS2通过响应切向力来调整层间距离，促进层间滑动，有效降低和稳定摩擦系数。特别是在销盘磨损条件下，旋转应力导致的应变和位错积累增强了膜层的减摩效果。这一发现对于钛合金等轻合金的膜层技术创新具有重要意义。

图4  MoS2-S纳米复合膜层磨损性能及往复磨损条件下的应变和位错分布

5. 氧化铝纳米粒子对 TC4合金PEO膜层耐磨性的影响

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.02.332

从PEO膜层硬度提升角度设计耐磨膜层，通过Al2O3纳米粒子的加入促进 PEO 膜层中 Al2TiO5 相的形成，而且大部分纳米粒子都嵌入到涂层中，从而降低膜层孔隙率以及增加膜层显微硬度。由于膜层具有较高的显微硬度，其摩擦性能得到显著改善，摩擦系数和磨损质量与同类膜层相比明显降低，该设计具有工艺简单、性能提升明显等优势。

图5 Al2O3纳米颗粒膜层耐磨损性能

6. 增材制造调控生物功能钛合金析出相取向制备高性能陶瓷膜层

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151325

依据Ti2Cu-(110)取向的原子密排程度低于Ti2Cu-(103)取向，通过增材制造技术(AM)制备了Ti2Cu析出相以(110)取向为主的Ti-Cu合金。由于(110)取向原子密排程度低使得AM-Ti-Cu合金功函数低，因此AM-Ti-Cu合金的耐蚀性差，促进了PEO过程中铜离子的释放。与传统Ti2Cu-(103)取向的Ti-Cu合金相比，AM-Ti-Cu合金的低耐腐蚀能力促进了Cu价电子在PEO过程中从4s能级逃逸，从而形成含量较高的纳米氧化铜(CuO)。这项研究强调了AM工艺中调节析出相取向的优势，创新性的从合金设计角度提供了有效制备功能性PEO膜层的方法。

图6 不同取向Ti2Cu离子释放能力差异

7. 基于功函数的PEO过程中Cu离子的释放和CuO/Cu2O的形成研究

原文链接： http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2023.130344

研究钛-铜合金在PEO过程中Cu离子释放的情况，提出了一种新的方法来提高金属的抗腐蚀能力。研究发现，低功函数的L-Ti2Cu会更早地释放Cu+。这些Cu+离子的释放增加了Cu2O的形成，并随着电压的升高进一步氧化为CuO，从而增加了CuO的相对含量。这种CuO相对含量的增加有助于提高抗菌活性和摩擦腐蚀性能，因为高含量的CuO具有明显的应力响应和润滑效果。这项研究为PEO氧化溶解过程中Ti-14Cu合金金属离子释放和相应金属氧化物的形成提供了理论。

图7 基于不同形貌Ti2Cu相的功函数差异与Cu+离子释放关系