钛合金具有质量轻、比强度高等优势从而已广泛应用于工程领域。然而，摩擦和腐蚀成为实际服役过程中不可避免的问题，造成了大量的能量耗散，机械磨损，甚至结构性破坏。因此，需要制备陶瓷膜层解决上述问题，但由于陶瓷膜层的硬度高极容易引发严重的磨粒磨损从而需要引入固体润滑剂提高其减摩性能。近年来，很多学者通过在微弧氧化陶瓷膜层表面涂敷MoS2或在电解液中直接添加MoS2颗粒制备自润滑陶瓷膜层，但由于其团聚属性仍然无法避免MoS2与陶瓷膜层之间的结合性差等问题。现阶段迫切需要找到一种表面处理技术，在不影响膜层耐磨性的同时提高膜层的减摩性能及膜基结合性能。

来自长安大学陈永楠教授团队与浙江大学占海飞教授团队联合设计并在钛合金表面采用微弧氧化技术原位合成了一种具有梯度结构纳米MoS2/TiO2陶瓷膜层，避免了MoS2的团聚，同时形成非共格界面从而提高了材料的膜基结合强度。相关论文以题为“Controllable in situ fabrication of self-lubricating nanocomposite coating for light alloys”发表在Scripta Materialia。

研究成果来自于长安大学轻合金表面强化研究团队，该团队长期从事铝、镁和钛合金等表面微弧氧化、激光表面处理及特种电镀等技术研究及装备研制。论文第一作者为长安大学博士生杨泽慧，通讯作者为长安大学陈永楠教授和赵秦阳博士及浙江大学占海飞教授，合作者还包括长安大学徐义库教授、张凤英教授、郝建民教授及西北有色金属研究院的赵永庆教授等。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114493

本研究在轻合金表面通过微弧氧化技术原位合成了具有梯度结构的MoS2/TiO2纳米复合陶瓷膜层。研究发现具有梯度分布的膜层具有低摩擦系数(摩擦系数(COF)达到0.14)，其COF远低于传统微弧氧化(PEO)膜层(0.55)。这表明梯度MoS2在摩擦过程中然而在滑动剪切作用下，MoS2从非晶态多孔结构中释放并调整其基面的滑动方向从而维持超低摩擦系数。同时，MoS2和TiO2之间形成的非共格界面具有边缘钉扎效应促使膜层膜基结合性能显著提升(例如：MoS2/TiO2膜层的临界载荷750 N vs. PEO膜层的临界载荷 400N)。

图1 (a) 硫源浓度为20g/L所制备的膜层在StageII的HRTEM图像; (b-c) 硫源浓度为30g/L和60g/L膜层在StageII的HRTEM图像; (d-f) 硫源浓度分别为20g/L、30g/L和60g/L的膜层中的StageIII的HRTEM图像。

图2 (a)硫源浓度为30g/L膜层的HRTEM图像; (b-e) MoS2与TiO2界面对应图像和IFFT图像; (f)纳米压痕试验的载荷-位移曲线; (g)膜层的弹性模量和硬度; (h)原位合成纳米粒子非共格界面增强示意图。

图3 (a)不同硫源浓度下PEO膜层和原位合成膜层的COF; (b)膜层的磨损量; (c)不同表面处理方法对比; (d)不同膜层的拉伸载荷和位移; (e)通过划痕试验获得的PEO膜层的临界载荷; (f)不同表面处理的临界载荷比较。

本研究设计了一种结合原位合成MoS2和微弧氧化工艺的钛合金表面处理新方法。在钛合金表面形成了梯度纳米复合膜层，MoS2的自润滑特性以及MoS2与陶瓷之间的非共格界面使膜层具有优异的摩擦学和膜基结合性能。例如，MoS2/TiO2陶瓷膜层能够实现约0.14的低摩擦系数。预计此原位微弧氧化工艺可以应用于铝、镁合金等轻合金的表面强化处理并广泛的在工程领域得到应用。