铝合金表面纳米化--微弧氧化复合涂层摩擦行为

工程科学学报，第37卷，第10期：1350-1357,2015年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.10:1350-1357,October 2015 D0:10.13374/j.issn2095-9389.2015.10.015;htp:/journals.usth.edu.cm 铝合金表面纳米化-微弧氧化复合涂层摩擦行为 文磊四，王亚明》，金莹” 1)北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京1000832)哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所，哈尔滨150080 ☒通信作者，E-mail:wenleic@ustb.edu.cn 摘要通过表面机械研磨处理在LY12CZ铝合金表面制备表面纳米化(SNC)过渡层，再采用微弧氧化(MAO)技术对纳米 晶过渡层进行微结构重构，设计制备出纳米化一微弧氧化(SNC-MAO)复合涂层，并对比研究了铝合金表面微弧氧化涂层及纳 米化一微弧氧化复合涂层的摩擦学行为.与微弧氧化涂层相比，纳米化一微弧氧化复合涂层因硬度较高而具有较好的耐磨性 微弧氧化涂层及纳米化一微弧氧化复合涂层与GC15钢球对磨时具有相同的磨损机理，为对磨钢球向涂层的材料转移和氧化 磨损. 关键词铝合金：复合涂层：摩擦学；纳米化：表面机械研磨处理：微弧氧化 分类号TG174.4 Tribological behavior of SNC-MAO composite coatings formed on the surface of aluminum alloys WEN Lei,WANG Ya-ming2》,JIN Ying》 1)National Center for Materials Service Safety,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Institute of Advanced Ceramics,Harbin Institute of Technology,Harbin 150080,China Corresponding author,E-mail:wenlei@ustb.edu.cn ABSTRACT A duplex process was designed to modify the surface of LY12CZ aluminum alloy by using surface mechanical attrition treatment (SMAT)prior to microarc oxidation (MAO).A surface nanocrystalline (SNC)layer was formed on the alloy surface by SMAT,a ceramic outer layer grew on the SNC layer by MAO,and finally an SNC-MAO composite coating was fabricated.The tribo- logical behaviors of the MAO coating and SNC-MAO composite coating were comparatively evaluated.Experimental results showed that the SNC-MAO composite coating had a better wear resistance than the MAO coating in the same test condition due to a higher hardness of the ceramic coating.The wear mechanism of the MAO coating and SNC-MAO composite coating involved materials transfer from the steel ball to the coating and oxidation wear. KEY WORDS aluminum alloys:composite coatings;tribology:nanocrystallization:surface mechanical attrition treatment:microarc oxidation 铝合金材料在飞机等高技术装备领域服役过程 靠电解液与电参数的匹配调节，在弧光放电产生的瞬 中，由于所处环境严酷，承受交变或冲击载荷，容易发 时高温高压作用下，于铝、钛、镁等阀金属及其合金表 生腐蚀、磨损和冲击破坏.因此在合金高强高韧的基 面生长出以基体金属氧化物为主，并辅以电解液组分 础上，要求全面提升其耐腐蚀和耐疲劳的关键服役性改性的陶瓷化涂层，其防腐、耐磨性能优异0刀 能-习.微弧氧化(microarc oxidation,MAO)技术是依 具有广阔的应用前景，但制约其应用的一个关键问题 收稿日期：2014-11-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51201008)：教育部博士点科研基金资助项目(20120006120043)：高等学校学科创新引智计划资助项 目(B12012)

工程科学学报，第 37 卷，第 10 期: 1350--1357，2015 年 10 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 10: 1350--1357，October 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 10． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn 铝合金表面纳米化--微弧氧化复合涂层摩擦行为 文 磊1) ，王亚明2) ，金 莹1) 1) 北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京 100083 2) 哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所，哈尔滨 150080  通信作者，E-mail: wenlei@ ustb． edu． cn 摘 要 通过表面机械研磨处理在 LY12CZ 铝合金表面制备表面纳米化( SNC) 过渡层，再采用微弧氧化( MAO) 技术对纳米 晶过渡层进行微结构重构，设计制备出纳米化--微弧氧化( SNC-MAO) 复合涂层，并对比研究了铝合金表面微弧氧化涂层及纳 米化--微弧氧化复合涂层的摩擦学行为． 与微弧氧化涂层相比，纳米化--微弧氧化复合涂层因硬度较高而具有较好的耐磨性． 微弧氧化涂层及纳米化--微弧氧化复合涂层与 GCr15 钢球对磨时具有相同的磨损机理，为对磨钢球向涂层的材料转移和氧化 磨损． 关键词 铝合金; 复合涂层; 摩擦学; 纳米化; 表面机械研磨处理; 微弧氧化 分类号 TG174. 4 Tribological behavior of SNC-MAO composite coatings formed on the surface of aluminum alloys WEN Lei 1)  ，WANG Ya-ming2) ，JIN Ying1) 1) National Center for Materials Service Safety，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Institute of Advanced Ceramics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China  Corresponding author，E-mail: wenlei@ ustb． edu． cn ABSTＲACT A duplex process was designed to modify the surface of LY12CZ aluminum alloy by using surface mechanical attrition treatment ( SMAT) prior to microarc oxidation ( MAO) ． A surface nanocrystalline ( SNC) layer was formed on the alloy surface by SMAT，a ceramic outer layer grew on the SNC layer by MAO，and finally an SNC-MAO composite coating was fabricated． The tribo￾logical behaviors of the MAO coating and SNC-MAO composite coating were comparatively evaluated． Experimental results showed that the SNC-MAO composite coating had a better wear resistance than the MAO coating in the same test condition due to a higher hardness of the ceramic coating． The wear mechanism of the MAO coating and SNC-MAO composite coating involved materials transfer from the steel ball to the coating and oxidation wear． KEY WOＲDS aluminum alloys; composite coatings; tribology; nanocrystallization; surface mechanical attrition treatment; microarc oxidation 收稿日期: 2014--11--28 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51201008) ; 教育部博士点科研基金资助项目( 20120006120043) ; 高等学校学科创新引智计划资助项 目( B12012) 铝合金材料在飞机等高技术装备领域服役过程 中，由于所处环境严酷，承受交变或冲击载荷，容易发 生腐蚀、磨损和冲击破坏． 因此在合金高强高韧的基 础上，要求全面提升其耐腐蚀和耐疲劳的关键服役性 能［1--2］． 微弧氧化( microarc oxidation，MAO) 技术是依 靠电解液与电参数的匹配调节，在弧光放电产生的瞬 时高温高压作用下，于铝、钛、镁等阀金属及其合金表 面生长出以基体金属氧化物为主，并辅以电解液组分 改性的陶瓷化涂层［3--9］，其防腐、耐磨性能优异［10--17］， 具有广阔的应用前景，但制约其应用的一个关键问题

文磊等：铝合金表面纳米化一微弧氧化复合涂层摩擦行为 ·1351· 是微弧氧化处理降低了基体合金的疲劳性能8-.之 牌号为2024-T4)铝合金板材，热处理状态为淬火加自 前的研究结果表明，利用金属纳米化表层过渡组织特 然时效，其化学成分如表1所示 征及微弧氧化陶瓷层在金属纳米晶层原位生长的特 点，在微弧氧化处理前引入表面机械研磨前处理，通过 表1LY12CZ铝合金的化学成分（质量分数） 在基体金属材料表面引入纳米晶层和残余压应力可以 Table 1 Chemical composition of LY12CZ alloy 有效提高微弧氧化后铝合金的疲劳性能四.然而，表 Cu Mg Mn Fe Si Zn Ti Cr 面纳米化处理后的纳米晶基材对微弧氧化涂层的微观 4.361.490.460.250.140.070.01<0.01余量 组织结构产生影响，势必影响到微弧氧化处理后涂层 材料的摩擦学性能这一关键服役性能.本文通过表面 1.2纳米化一微弧氧化复合涂层的设计及制备 1.2.1复合涂层的结构设计 机械研磨处理(surface mechanical attrition treatment, 利用金属纳米化表层过渡组织特征及微弧氧化陶 SMAT)在LY12CZ铝合金表面制备表面纳米化(SNC) 过渡层，再采用微弧氧化技术对纳米晶过渡层进行 瓷涂层在金属纳米晶层原位生长的特点，复合运用表 微结构重构，制备出纳米化一微弧氧化(SNC-MAO) 面纳米化与微弧氧化技术来设计铝合金表面纳米化一 复合涂层，对比研究了铝合金表面微弧氧化涂层及 微弧氧化复合涂层.铝合金表面纳米化一微弧氧化复 纳米化微弧氧化复合涂层的摩擦学行为，并揭示了 合涂层的设计思路如下：首先通过表面机械研磨处理 在铝合金表面制备一定厚度的纳米晶层过渡组织，然 磨损机制. 后利用微弧氧化技术在现有电解液体系中于铝合金纳 1实验材料及方法 米晶层表面生长制备出纳米化一微弧氧化复合涂层. 1.1实验用原材料 铝合金表面纳米化一微弧氧化复合涂层的结构设计及 本研究所用材料为厚度为3mm的LY12CZ(国际 基本工艺流程如图1所示. 纳米化微弧氧化 铝合金表面 复合涂层 铝合金 表面机械 纳米晶层 88 研磨处理 微孤氧化 图1铝合金表面纳米化一微弧氧化复合涂层结构设计及制备工艺流程 Fig.1 Structure design and fabrication process of an SNC-MAO composite coating formed on the Al alloy surface 1.2.2表面机械研磨处理 抽真空 表面机械研磨处理设备为成都新晶格科技有限公 司生产的SNC-1型表面纳米化实验机，样品尺寸为 80mm×80mm×3mm,试样经1200SiC砂纸打磨后， 在丙酮溶液中超声清洗10min后放入干燥皿备用.采 样品 用直径6mm的Z02陶瓷球作为弹射介质对LY12CZ 铝合金进行表面机械研磨处理，弹射距离6cm,振动频 率50Hz,处理时间设定为15min.弹射球放置于真空 Q U型容器内部，被处理样品固定于容器顶端，表面机械 研磨处理过程中，置于U型容器底端的振动发生器以 设定频率上下振动，容器内部的弹射球在受到振动发 振动发生器 生器的驱动后随机地从各个方向以较大的能量撞击被 处理材料表面，这种高能撞击使样品表面产生强烈的 图2表面机械研磨处理装置示意图 塑性变形，在处理过程中弹射球的反复撞击下，被处理 Fig.2 Schematic of the equipment for surface mechanical attrition 试样表面实现纳米化.表面机械研磨处理装置示意图 treatment 见图2 合金进行表面陶瓷化处理.微弧氧化装置主要由双极 1.2.3微弧氧化 脉冲高压电源、不锈钢电解槽、冷却系统和搅拌系统组 采用MA065型65kW微弧氧化实验生产装置对 成，微弧氧化处理过程中不锈钢电解槽作为阴极，待处 LY12CZ铝合金基体及表面机械研磨处理LY12CZ铝 理工件作为阳极，电参数的正负幅值的比率均可以进

文 磊等: 铝合金表面纳米化--微弧氧化复合涂层摩擦行为 是微弧氧化处理降低了基体合金的疲劳性能［18--19］． 之 前的研究结果表明，利用金属纳米化表层过渡组织特 征及微弧氧化陶瓷层在金属纳米晶层原位生长的特 点，在微弧氧化处理前引入表面机械研磨前处理，通过 在基体金属材料表面引入纳米晶层和残余压应力可以 有效提高微弧氧化后铝合金的疲劳性能［20］． 然而，表 面纳米化处理后的纳米晶基材对微弧氧化涂层的微观 组织结构产生影响，势必影响到微弧氧化处理后涂层 材料的摩擦学性能这一关键服役性能． 本文通过表面 机械 研 磨 处 理 ( surface mechanical attrition treatment， SMAT) 在 LY12CZ 铝合金表面制备表面纳米化( SNC) 过渡层，再采用微弧氧化技术对纳米晶过渡层进行 微结构重构，制备出纳 米 化--微 弧 氧 化( SNC-MAO) 复合涂层，对比研究了铝合金表面微弧氧化涂层及 纳米化--微弧氧化复合涂层的摩擦学行为，并揭示了 磨损机制． 1 实验材料及方法 1. 1 实验用原材料 本研究所用材料为厚度为 3 mm 的 LY12CZ( 国际 牌号为 2024--T4) 铝合金板材，热处理状态为淬火加自 然时效，其化学成分如表 1 所示． 表 1 LY12CZ 铝合金的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of LY12CZ alloy % Cu Mg Mn Fe Si Zn Ti Cr Al 4. 36 1. 49 0. 46 0. 25 0. 14 0. 07 0. 01 ＜ 0. 01 余量 1. 2 纳米化--微弧氧化复合涂层的设计及制备 1. 2. 1 复合涂层的结构设计 利用金属纳米化表层过渡组织特征及微弧氧化陶 瓷涂层在金属纳米晶层原位生长的特点，复合运用表 面纳米化与微弧氧化技术来设计铝合金表面纳米化-- 微弧氧化复合涂层． 铝合金表面纳米化--微弧氧化复 合涂层的设计思路如下: 首先通过表面机械研磨处理 在铝合金表面制备一定厚度的纳米晶层过渡组织，然 后利用微弧氧化技术在现有电解液体系中于铝合金纳 米晶层表面生长制备出纳米化--微弧氧化复合涂层． 铝合金表面纳米化--微弧氧化复合涂层的结构设计及 基本工艺流程如图 1 所示． 图 1 铝合金表面纳米化--微弧氧化复合涂层结构设计及制备工艺流程 Fig． 1 Structure design and fabrication process of an SNC--MAO composite coating formed on the Al alloy surface 1. 2. 2 表面机械研磨处理 表面机械研磨处理设备为成都新晶格科技有限公 司生产的 SNC--1 型表面纳米化实验机，样品尺寸为 80 mm × 80 mm × 3 mm，试样经 1200# SiC 砂纸打磨后， 在丙酮溶液中超声清洗 10 min 后放入干燥皿备用． 采 用直径 6 mm 的 ZrO2陶瓷球作为弹射介质对 LY12CZ 铝合金进行表面机械研磨处理，弹射距离 6 cm，振动频 率 50 Hz，处理时间设定为 15 min． 弹射球放置于真空 U 型容器内部，被处理样品固定于容器顶端，表面机械 研磨处理过程中，置于 U 型容器底端的振动发生器以 设定频率上下振动，容器内部的弹射球在受到振动发 生器的驱动后随机地从各个方向以较大的能量撞击被 处理材料表面，这种高能撞击使样品表面产生强烈的 塑性变形，在处理过程中弹射球的反复撞击下，被处理 试样表面实现纳米化． 表面机械研磨处理装置示意图 见图 2． 1. 2. 3 微弧氧化 采用 MAO--65 型 65 kW 微弧氧化实验生产装置对 LY12CZ 铝合金基体及表面机械研磨处理 LY12CZ 铝 图 2 表面机械研磨处理装置示意图 Fig． 2 Schematic of the equipment for surface mechanical attrition treatment 合金进行表面陶瓷化处理． 微弧氧化装置主要由双极 脉冲高压电源、不锈钢电解槽、冷却系统和搅拌系统组 成，微弧氧化处理过程中不锈钢电解槽作为阴极，待处 理工件作为阳极，电参数的正负幅值的比率均可以进 ·1351·

·1352 工程科学学报，第37卷，第10期 行单独调节.微弧氧化电解液采用去离子水进行配制 s、载荷4.5N时情况相似，分别达到最大值0.7和 (电解质为Na,SiO,、(NaPO,)。、Na,WO,和NaOH).微 0.59之后突然降低，并且摩擦系数的波动幅度显著增 弧氧化处理过程中，将铝合金基体或表面机械研磨处 大，表明在这两种载荷作用下，微弧氧化涂层都已经被 理铝合金试样置于电解槽中作为阳极：设定实验脉冲 钢球磨穿.图3(c)为对磨速度0.15ms、载荷4.5N 工艺参数为频率600Hz,占空比10%，电压600V:氧化 的条件下微弧氧化涂层与GCl5钢球对磨时摩擦系数 时间25min.在铝合金基体和表面机械研磨处理铝合 随时间变化曲线.由图可见：载荷为1.5N时，摩擦系 金表面分别制备出厚度为10m的陶瓷涂层.铝合金 数由最初的0.15迅速增加到最大值，在接下来的时间 表面微弧氧化涂层及纳米化一微弧氧化复合涂层的微 里稳定在0.55~0.6左右，在整个测试过程中摩擦系 观组织结构分析结果参考文献20-21]，本文不再重 数没有出现大幅度降低的现象，表明涂层没有被钢球 复阐述 磨穿；载荷为3N时，与对磨速度为0.1ms时相似， 1.3摩擦学性能测试 摩擦系数达到最大值稳定很短时间后即开始减小并伴 使用兰州中科凯华科技开发有限公司生产的 有大幅度的波动：载荷为4.5N时，测试进行7.5min HT-H1000型球一盘式摩擦磨损试验机进行摩擦学性能 后摩擦系数由初始的0.13增大为0.48，然后摩擦系数 测试.进行摩擦学性能测试的试样尺寸为l0m× 出现大幅度波动，表明涂层在此条件下很快被磨穿 10mm×3mm,摩擦副为直径5mm的GCrl5钢球，硬度 2.1.2纳米化一微弧氧化复合涂层 60HRC(换算成显微硬度约为HV700).摩擦测试在 图4为干摩擦条件下纳米化一微弧氧化复合涂层 干摩擦条件下进行，法向载荷分别为1.5、3和4.5N, 在不同实验参数下与GC15钢球对磨时摩擦系数随时 对磨速度分别为0.1、0.2和0.3ms1.实验过程中由 间变化曲线.对磨速度为0.05m·s时，如图4(a)所 计算机实时采集被测材料的摩擦系数，摩擦实验结束 示，在三种法向载荷下复合涂层与钢球对磨的摩擦系 后分别利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪 数随时间变化曲线呈现出相似的规律性：随着对磨时 观察试样磨损形貌和分析磨痕，并分析摩擦磨损机理 间的增加摩擦系数逐渐增大，当增大到最大值时保持 稳定到测试结束.载荷为1.5N时摩擦系数由0.15增 2 结果与讨论 加到测试结束时的0.70，载荷为3N时摩擦系数由 0.15增加到0.69，载荷增大为4.5N时摩擦系数的最 2.1摩擦系数 大值有所降低，为0.57.同时可以发现在对磨速度为 2.1.1微弧氧化涂层 0.05ms的条件下，三种法向载荷下的复合涂层在 图3为微弧氧化涂层在不同实验参数下与GCl5 整个测试过程中都没有出现涂层被磨穿的现象，根据 钢球对磨过程中摩擦系数随时间的变化曲线.如 2.1.1节的讨论可知，微弧氧化涂层在对磨速度 图3(a)所示：对磨速度为0.05ms时，在载荷1.5N 0.05ms1、法向载荷4.5N的条件下与钢球对磨 的条件下，摩擦系数在摩擦测试的大部分时间内稳定 l5min涂层即被钢球磨穿，可见与微弧氧化涂层相比， 在0.2左右，涂层表现出较好的减摩特性，对磨16min 复合涂层具有较好的抗磨性. 后摩擦系数开始明显增大，直至测试结束增加至最大 如图4(b)所示：对磨速度增大到0.1m·s,载荷 值0.6；载荷增大为3N时，涂层与钢球对磨时的摩擦 为1.5N的条件下，摩擦系数随测试时间的增加逐渐 系数仅在0.2左右维持5min就开始显著增大，l5min 增大，由摩擦测试初期的0.15增加到摩擦测试结束时 后由最初的0.15增加到最大值0.63，之后摩擦系数稳 的0.65：载荷增大为3N时，摩擦系数在初期由0.15 定在最大值到测试结束：载荷增大到4.5N时，摩擦系 迅速增大至0.65，然后在接下来的对磨时间里保持缓 数前期的变化趋势与载荷为3N时相似，测试进行到 慢的上升趋势，到摩擦测试结束时摩擦系数增加到 13min时摩擦系数达到最大值，但仅稳定2min后摩擦 0.75:当载荷增大到4.5N时，摩擦测试初期摩擦系数 系数突然降低并伴随大幅度的波动，随后摩擦系数降 由0.15逐渐增加到0.6，而后摩擦系数快速下降，表明 低到0.4左右，表明在此测试条件下涂层被钢球磨穿， 复合涂层被磨穿.可见纳米化一微弧氧化复合涂层与 对磨钢球直接与基体铝合金接触发生摩擦导致摩擦系 GCrl5钢球在0.1ms的对磨速度条件下对磨时，仅 数的突变 在载荷为4.5N的情况下涂层失效，而微弧氧化涂层 如图3(b)所示：当对磨速度增大为0.1m·s时， 在载荷为3N和4.5N的情况下与钢球对磨6min后都 载荷为1.5N的条件下摩擦系数逐渐增大到最大值 被磨穿，说明在该对磨速度下，复合涂层比微弧氧化涂 0.65后保持稳定状态到测试结束，测试过程中没有出 层具有更加优异的抗磨性能 现涂层被磨穿的现象：载荷增大到3N和4.5N时，摩 当对磨速度增加到0.15m·s时，如图4(c)所 擦系数随测试时间的变化规律与对磨速度0.05m· 示，载荷为1.5N的条件下，纳米化-微弧氧化复合涂

工程科学学报，第 37 卷，第 10 期 行单独调节． 微弧氧化电解液采用去离子水进行配制 ( 电解质为 Na2 SiO3、( NaPO3 ) 6、Na2 WO4和 NaOH) ． 微 弧氧化处理过程中，将铝合金基体或表面机械研磨处 理铝合金试样置于电解槽中作为阳极; 设定实验脉冲 工艺参数为频率 600 Hz，占空比 10% ，电压 600 V; 氧化 时间 25 min． 在铝合金基体和表面机械研磨处理铝合 金表面分别制备出厚度为 10 μm 的陶瓷涂层． 铝合金 表面微弧氧化涂层及纳米化--微弧氧化复合涂层的微 观组织结构分析结果参考文献［20--21］，本文不再重 复阐述． 1. 3 摩擦学性能测试 使用兰州中科凯华科技开 发 有 限 公 司 生 产 的 HT--1000 型球--盘式摩擦磨损试验机进行摩擦学性能 测试． 进行摩擦学性能测试的试样尺寸为10 mm × 10 mm × 3 mm，摩擦副为直径 5 mm 的 GCr15 钢球，硬度 60 HＲC ( 换算成显微硬度约为 HV 700) ． 摩擦测试在 干摩擦条件下进行，法向载荷分别为 1. 5、3 和 4. 5 N， 对磨速度分别为 0. 1、0. 2 和 0. 3 m·s － 1 ． 实验过程中由 计算机实时采集被测材料的摩擦系数，摩擦实验结束 后分别利用扫描电子显微镜和 X 射线光电子能谱仪 观察试样磨损形貌和分析磨痕，并分析摩擦磨损机理． 2 结果与讨论 2. 1 摩擦系数 2. 1. 1 微弧氧化涂层 图 3 为微弧氧化涂层在不同实验参数下与 GCr15 钢球对 磨 过 程 中 摩 擦 系 数 随 时 间 的 变 化 曲 线． 如 图 3( a) 所示: 对磨速度为 0. 05 m·s － 1 时，在载荷 1. 5 N 的条件下，摩擦系数在摩擦测试的大部分时间内稳定 在 0. 2 左右，涂层表现出较好的减摩特性，对磨 16 min 后摩擦系数开始明显增大，直至测试结束增加至最大 值 0. 6; 载荷增大为 3 N 时，涂层与钢球对磨时的摩擦 系数仅在 0. 2 左右维持 5 min 就开始显著增大，15 min 后由最初的0. 15 增加到最大值0. 63，之后摩擦系数稳 定在最大值到测试结束; 载荷增大到 4. 5 N 时，摩擦系 数前期的变化趋势与载荷为 3 N 时相似，测试进行到 13 min 时摩擦系数达到最大值，但仅稳定 2 min 后摩擦 系数突然降低并伴随大幅度的波动，随后摩擦系数降 低到 0. 4 左右，表明在此测试条件下涂层被钢球磨穿， 对磨钢球直接与基体铝合金接触发生摩擦导致摩擦系 数的突变． 如图 3( b) 所示: 当对磨速度增大为 0. 1 m·s － 1 时， 载荷为 1. 5 N 的条件下摩擦系数逐渐增大到最大值 0. 65 后保持稳定状态到测试结束，测试过程中没有出 现涂层被磨穿的现象; 载荷增大到 3 N 和 4. 5 N 时，摩 擦系数随测试时间的变化规律与对磨速度 0. 05 m· s － 1 、载荷 4. 5 N 时情况相似，分别达到最大值 0. 7 和 0. 59 之后突然降低，并且摩擦系数的波动幅度显著增 大，表明在这两种载荷作用下，微弧氧化涂层都已经被 钢球磨穿． 图 3( c) 为对磨速度 0. 15 m·s － 1 、载荷 4. 5 N 的条件下微弧氧化涂层与 GCr15 钢球对磨时摩擦系数 随时间变化曲线． 由图可见: 载荷为 1. 5 N 时，摩擦系 数由最初的 0. 15 迅速增加到最大值，在接下来的时间 里稳定在 0. 55 ～ 0. 6 左右，在整个测试过程中摩擦系 数没有出现大幅度降低的现象，表明涂层没有被钢球 磨穿; 载荷为 3 N 时，与对磨速度为 0. 1 m·s － 1 时相似， 摩擦系数达到最大值稳定很短时间后即开始减小并伴 有大幅度的波动; 载荷为 4. 5 N 时，测试进行 7. 5 min 后摩擦系数由初始的0. 13 增大为0. 48，然后摩擦系数 出现大幅度波动，表明涂层在此条件下很快被磨穿． 2. 1. 2 纳米化--微弧氧化复合涂层 图 4 为干摩擦条件下纳米化--微弧氧化复合涂层 在不同实验参数下与 GCr15 钢球对磨时摩擦系数随时 间变化曲线． 对磨速度为 0. 05 m·s － 1 时，如图 4( a) 所 示，在三种法向载荷下复合涂层与钢球对磨的摩擦系 数随时间变化曲线呈现出相似的规律性: 随着对磨时 间的增加摩擦系数逐渐增大，当增大到最大值时保持 稳定到测试结束． 载荷为 1. 5 N 时摩擦系数由 0. 15 增 加到测试结束时的 0. 70，载荷为 3 N 时摩擦系数由 0. 15 增加到 0. 69，载荷增大为 4. 5 N 时摩擦系数的最 大值有所降低，为 0. 57． 同时可以发现在对磨速度为 0. 05 m·s － 1 的条件下，三种法向载荷下的复合涂层在 整个测试过程中都没有出现涂层被磨穿的现象，根据 2. 1. 1 节 的 讨 论 可 知，微弧氧化涂层在 对磨速度 0. 05 m·s － 1 、法 向 载 荷 4. 5 N 的 条 件 下 与 钢 球 对 磨 15 min涂层即被钢球磨穿，可见与微弧氧化涂层相比， 复合涂层具有较好的抗磨性． 如图 4( b) 所示: 对磨速度增大到 0. 1 m·s － 1 ，载荷 为 1. 5 N 的条件下，摩擦系数随测试时间的增加逐渐 增大，由摩擦测试初期的 0. 15 增加到摩擦测试结束时 的 0. 65; 载荷增大为 3 N 时，摩擦系数在初期由 0. 15 迅速增大至 0. 65，然后在接下来的对磨时间里保持缓 慢的上升趋势，到摩擦测试结束时摩擦系数增加到 0. 75; 当载荷增大到 4. 5 N 时，摩擦测试初期摩擦系数 由0. 15 逐渐增加到0. 6，而后摩擦系数快速下降，表明 复合涂层被磨穿． 可见纳米化--微弧氧化复合涂层与 GCr15 钢球在 0. 1 m·s － 1 的对磨速度条件下对磨时，仅 在载荷为 4. 5 N 的情况下涂层失效，而微弧氧化涂层 在载荷为 3 N 和 4. 5 N 的情况下与钢球对磨 6 min 后都 被磨穿，说明在该对磨速度下，复合涂层比微弧氧化涂 层具有更加优异的抗磨性能． 当对磨速度增加到 0. 15 m·s － 1 时，如图 4 ( c) 所 示，载荷为 1. 5 N 的条件下，纳米化--微弧氧化复合涂 ·1352·

文磊等：铝合金表面纳米化一微弧氧化复合涂层摩擦行为 ·1353· 10 (a) -15N 0 b 15N 0.9 30 -3.0N 0.8 4.5N 45N 0.6 0.3 0.2 0.2 0.1 10 分 20 10 时间/min 时间/min 1.0 91 -15 0.8 9 0.6 0.5 0.4 0.3 2 01 10 15 20 时间/min 图3不同对磨速度下铝合金表面微弧氧化涂层与GCx15钢球对磨的摩擦系数随时间的变化.(a)0.05ms1:(b)0.1ms1:(c)0.15 m's-1 Fig.3 Friction coefficient of MAO coatings sliding against GCr15 balls as a function of sliding time at different sliding speeds:(a)0.05 ms; (b)0.1ms1:(c)0.15ms1 1.0m a 1.0 0.9 -1.5N b N 3.0 0.9 0.8 4 5N 08 07 0.7 0.5 0.4 0.3 2 02 0.1 10 15 20 10 15 20 时间/min 时间/min 1.0 09g -1.5N -3.0N 0. -4.5N 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 10 15 20 时间min 图4不同对磨速度下铝合金表面钠米化一微弧氧化复合涂层与GC15钢球对磨的摩擦系数随时间的变化.(a)0.05m·s1:(b)0.1m· sl:(c)0.15ms1 Fig.4 Friction coefficient of SNC-MAO composite coatings sliding against GCrl5 balls as a function of sliding time at different sliding speeds:(a) 0.05msl:(6)0.1ms1;(e)0.15ms1

文 磊等: 铝合金表面纳米化--微弧氧化复合涂层摩擦行为 图 3 不同对磨速度下铝合金表面微弧氧化涂层与 GCr15 钢球对磨的摩擦系数随时间的变化． ( a) 0. 05 m·s － 1 ; ( b) 0. 1 m·s － 1 ; ( c) 0. 15 m·s － 1 Fig． 3 Friction coefficient of MAO coatings sliding against GCr15 balls as a function of sliding time at different sliding speeds: ( a) 0. 05 m·s － 1 ; ( b) 0. 1 m·s － 1 ; ( c) 0. 15 m·s － 1 图 4 不同对磨速度下铝合金表面纳米化--微弧氧化复合涂层与 GCr15 钢球对磨的摩擦系数随时间的变化． ( a) 0. 05 m·s － 1 ; ( b) 0. 1 m· s － 1 ; ( c) 0. 15 m·s － 1 Fig． 4 Friction coefficient of SNC--MAO composite coatings sliding against GCr15 balls as a function of sliding time at different sliding speeds: ( a) 0. 05 m·s － 1 ; ( b) 0. 1 m·s － 1 ; ( c) 0. 15 m·s － 1 ·1353·

·1354· 工程科学学报，第37卷，第10期 层与钢球对磨7.5min后摩擦系数由初始值0.13增加 的显微硬度为HV850四，说明由于具有较高的硬度， 到0.6，在接下来的测试过程中摩擦系数基本保持不 纳米化一微弧氧化复合涂层的抗磨性能要明显优于微 变到测试结束：载荷为3N的条件下，复合涂层与钢球 弧氧化涂层.同时通过对比图3和图4可以发现，在 对磨时的摩擦系数达到稳定值的时间约为5min,进入 相同的摩擦测试参数下，复合涂层与钢球对磨的过程 稳定阶段后，摩擦系数保持在0.65左右：当载荷增加 中进入稳定摩擦阶段（即摩擦系数值保持稳定）的时 到4.5N时，摩擦测试仅进行不到5min复合涂层即被 间要明显小于微弧氧化涂层，原因是复合涂层具有较 GC15钢球磨穿，导致摩擦系数剧烈波动.可见与对 大的表面粗糙度和显微硬度 磨速度为0.1m·s时情况相似，载荷为L.5N和3N 2.2磨损形貌 的条件下复合涂层在整个测试过程中保持完好，仅当 2.2.1微弧氧化涂层 法向载荷增加到4.5N时复合涂层被对磨钢球磨穿. 图5为对磨速度0.1ms、载荷1.5N的条件下 对比2.1.1节的讨论结果，对磨速度增大到0.15m· 微弧氧化涂层与GCrl5钢球对磨20min后的表面磨痕 s时微弧氧化涂层仅在1.5N的载荷下保持完好，而 形貌及能谱.由图5(a)可知，在该测试条件下涂层与 当载荷增大到3N和4.5N时涂层在摩擦测试过程中 基体结合良好，没有涂层磨穿现象产生，仅凸起部分在 都被对磨钢球磨穿，导致铝合金基体与钢球直接接触 摩擦过程中被磨平，同时在涂层表面凹陷区域仍可以 摩擦 观察到放电微孔的存在，表明涂层具有良好的耐磨性 可见，在大部分的测试条件下（如载荷为3N和 能.图5(b)为摩擦后在涂层表面形成的平整岛状磨 4.5N),微弧氧化涂层与钢球对磨过程中，摩擦系数还 痕形貌.对该区域进行能谱分析，如图5（℃）所示.结 没有达到稳定时涂层即被磨穿，而相同测试条件下的 果发现该平整磨痕含有大量的Fe元素，其质量分数 复合涂层则保持完好.通过对比载荷为1.5N条件下 (42.24%)远高于LY12CZ铝合金自身的铁(0.25%)， 两种涂层与钢球对磨时摩擦系数的差异可以发现，达 表明摩擦过程中发生由钢球向涂层表面的材料转移 到稳定对磨状态后，与微弧氧化涂层相比，纳米化一微 过程. 弧氧化复合涂层与钢球对磨的摩擦系数增加了 2.2.2纳米化一微弧氧化复合涂层 5.6%.根据笔者之前的研究结果可知，纳米化一微弧 图6为在对磨速度0.1ms、载荷1.5N的条件 氧化复合涂层显微硬度达到HV970,而微弧氧化涂层 下纳米化-微弧氧化复合涂层与GCl5钢球对磨 50m 204m 2.7m c 元素 质量分数/% 0 16.34 AL 1751 2.2 01.87 41.24 FeKa Fe 1.60Ke 1.1 AuMa 0.5 FeKb 12345678910112134 能量keV 图5铝合金表面微弧氧化涂层与GCl5钢球对磨20min后的磨痕形貌及能谱(0.1ms1,1.5N).(a,b)磨痕形貌：(c)图(b)选区能谱 Fig.5 SEM images and EDS spectrum of wear tracks on MAO coatings against GCr15 steel balls for 20 min (0.1 ms-!,1.5 N):(a,b)wear tracks:(c)EDS spectrum of a selected area in Fig.(b)

工程科学学报，第 37 卷，第 10 期 层与钢球对磨 7. 5 min 后摩擦系数由初始值 0. 13 增加 到 0. 6，在接下来的测试过程中摩擦系数基本保持不 变到测试结束; 载荷为 3 N 的条件下，复合涂层与钢球 对磨时的摩擦系数达到稳定值的时间约为 5 min，进入 稳定阶段后，摩擦系数保持在 0. 65 左右; 当载荷增加 到 4. 5 N 时，摩擦测试仅进行不到 5 min 复合涂层即被 GCr15 钢球磨穿，导致摩擦系数剧烈波动． 可见与对 磨速度为 0. 1 m·s － 1 时情况相似，载荷为 1. 5 N 和 3 N 的条件下复合涂层在整个测试过程中保持完好，仅当 法向载荷增加到 4. 5 N 时复合涂层被对磨钢球磨穿． 对比 2. 1. 1 节的讨论结果，对磨速度增大到 0. 15 m· s － 1 时微弧氧化涂层仅在 1. 5 N 的载荷下保持完好，而 当载荷增大到 3 N 和 4. 5 N 时涂层在摩擦测试过程中 都被对磨钢球磨穿，导致铝合金基体与钢球直接接触 摩擦． 图 5 铝合金表面微弧氧化涂层与 GCr15 钢球对磨 20 min 后的磨痕形貌及能谱( 0. 1 m·s － 1，1. 5 N) ． ( a，b) 磨痕形貌; ( c) 图( b) 选区能谱 Fig． 5 SEM images and EDS spectrum of wear tracks on MAO coatings against GCr15 steel balls for 20 min ( 0. 1 m·s － 1，1. 5 N) : ( a，b) wear tracks; ( c) EDS spectrum of a selected area in Fig． ( b) 可见，在大部分的测试条件下( 如载荷为 3 N 和 4. 5 N) ，微弧氧化涂层与钢球对磨过程中，摩擦系数还 没有达到稳定时涂层即被磨穿，而相同测试条件下的 复合涂层则保持完好． 通过对比载荷为 1. 5 N 条件下 两种涂层与钢球对磨时摩擦系数的差异可以发现，达 到稳定对磨状态后，与微弧氧化涂层相比，纳米化--微 弧氧 化 复 合 涂 层 与 钢 球 对 磨 的 摩 擦系数增加了 5. 6% ． 根据笔者之前的研究结果可知，纳米化--微弧 氧化复合涂层显微硬度达到 HV 970，而微弧氧化涂层 的显微硬度为 HV 850 ［21］，说明由于具有较高的硬度， 纳米化--微弧氧化复合涂层的抗磨性能要明显优于微 弧氧化涂层． 同时通过对比图 3 和图 4 可以发现，在 相同的摩擦测试参数下，复合涂层与钢球对磨的过程 中进入稳定摩擦阶段( 即摩擦系数值保持稳定) 的时 间要明显小于微弧氧化涂层，原因是复合涂层具有较 大的表面粗糙度和显微硬度． 2. 2 磨损形貌 2. 2. 1 微弧氧化涂层 图 5 为对磨速度 0. 1 m·s － 1 、载荷 1. 5 N 的条件下 微弧氧化涂层与 GCr15 钢球对磨 20 min 后的表面磨痕 形貌及能谱． 由图 5( a) 可知，在该测试条件下涂层与 基体结合良好，没有涂层磨穿现象产生，仅凸起部分在 摩擦过程中被磨平，同时在涂层表面凹陷区域仍可以 观察到放电微孔的存在，表明涂层具有良好的耐磨性 能． 图 5( b) 为摩擦后在涂层表面形成的平整岛状磨 痕形貌． 对该区域进行能谱分析，如图 5( c) 所示． 结 果发现该平整磨痕含有大量的 Fe 元素，其质量分数 ( 42. 24% ) 远高于 LY12CZ 铝合金自身的铁( 0. 25% ) ， 表明摩擦过程中发生由钢球向涂层表面的材料转移 过程． 2. 2. 2 纳米化--微弧氧化复合涂层 图 6 为在对磨速度 0. 1 m·s － 1 、载荷 1. 5 N 的条件 下纳 米 化--微 弧 氧 化 复 合 涂 层 与 GCr15 钢 球 对 磨 ·1354·